什么是反物质?什么是暗物质?

什么是反物质?什么是暗物质?
什么是反物质?什么是暗物质?

什么是反物质?什么是暗物质?
反物质是物质的镜像.物质由原子组成,原子又由质子、中子和电子组成.质子带正电,电子带...通常物质中没有发现过反物质,即使在实验条件下,反质子也一瞬即逝.
当你照镜子时,看一看在镜子中的那个你,如果那个镜子里的家伙真的存在,并出现在你的面前,会怎么样呢?
科学家们已经考虑过这个问题,他们把镜子中的那个你叫做“反你”.他们甚至想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界,或者说是我们的世界在镜子里的像.它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界.但是反物质是什么,这一切又可能是真实的吗?
对于“反物质是什么”这个问题,并没有恶作剧的意味.反物质正如你所想象的样子——是一般物质的对立面,而一般物质就是构成宇宙的主要部分.直到最近,宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的.在1928年,英国物理学家PaulA.M.Dirac修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）.Dirac说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑“m”——质量——除了正的属性外还有负属性.Dirac的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子.而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在.这些反粒子,顾名思义,是一般物质的镜像.每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量,但是电荷相反.以下是20世纪发现的一些反粒子.
正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子.由CarlAnderson在1932年发现,正电子是反物质存在的第一个证据.反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子.由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子.
反原子——正电子和反质子组合在一起,由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）.共制造了九个反氢原子,每一个的生命只有40纳秒.到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个.当反物质和物质相遇的时候,这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸,放射出纯的射线,这些射线以光速穿过爆炸点.这些产生爆炸的粒子被完全消灭,只留下其它亚原子粒子.物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量.科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多.所以,为什么我们不能建一个物质——反物质反应机呢?建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏.如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质,我们将可能看到围绕我们的这些反应.既然我们的周围并不存在反物质,我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光.
在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的.如上所述,粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了.并且因为开始的时候有更多的粒子存在,所以现在的粒子是所有留下来的那些.今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子.但是,在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源.如果那个地方真的存在,也意味着存在天然的反物质,所以我们将不再需要制造反物质.
但是目前,我们将不得不创造我们自己的反物质.幸运的是,通过使用高能粒子对撞机（也叫做离子加速器）这种技术制造反物质是可行的.离子加速器,象CERN,是沿很强的环绕的超磁场排列的一些巨大的隧道,超磁场可以使原子以接近光速的速度推进.当原子通过加速器出来时,它轰击目标,创造出粒子.这些粒子中的一些就是用磁场分离的反粒子.这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子.一毫微克是一克的十亿分之一.所有一年之内在CERN产生的反核子只够一个100瓦的电灯泡亮3秒钟.如果要用反核子进行星际旅行将需要消耗几吨才能实现.
Jeremiah P. Ostriker和Paul Steinhardt 著 Shea 译】几十年前,暗物质刚被提出来时仅仅是理论的产物,但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分.暗物质的总质量是普通物质的6倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成.暗物质的本质现在还是个谜,但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话,那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致.不过,最近对星系以及亚星系结构的分析显示,这一假设和观测结果之间存在着差异,这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地.通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型,为暗物质本性的研究带来新的曙光.
大约65年前,第一次发现了暗物质存在的证据.当时,弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现,大型星系团中的星系具有极高的运动速度,除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上,否则星系团根本无法束缚住这些星系.之后几十年的观测分析证实了这一点.尽管对暗物质的性质仍然一无所知,但是到了80年代,占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了.
[图片说明]：普通中发光物质占了宇宙总能量的0.4%,其他的普通物质占了3.7%,暗物质占了近23%,另外的73%是占主导暗能量.
在引入宇宙暴涨理论之后,许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的,而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）.与此同时,宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙,其中能量密度都以物质的形式出现,包括4%的普通物质和96%的暗物质.但事实上,观测从来就没有与此相符合过.虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差,但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值,而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐.
当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时,暗能量出现了.暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光.从微观上讲,它们的组成是完全不同的.更重要的是,象普通的物质一样,暗物质是引力自吸引的,而且与普通物质成团并形成星系.而暗能量是引力自相斥的,并且在宇宙中几乎均匀的分布.所以,在统计星系的能量时会遗漏暗能量.因此,暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异.之后,两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现,宇宙正在加速膨胀.由此,暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型.最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe,WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在,并且使它成为了标准模型的一部分.
暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识.按照爱因斯坦的广义相对论,在一个仅含有物质的宇宙中,物质密度决定了宇宙的几何,以及宇宙的过去和未来.加上暗能量的话,情况就完全不同了.首先,总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性.其次,宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期.大约在"大爆炸"之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位,但是这已成为了过去.现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定,它目前正时宇宙加速膨胀,而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态,否则这种加速膨胀态势将持续下去.
不过,我们忽略了极为重要的一点,那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成,如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星,也就更谈不上今天的人类了.宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性,但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城.而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了.但是均匀分布的物质不会产生引力,因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落,而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹.然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来.
另一方面,不与辐射耦合的暗物质,其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍.在普通物质脱耦之后,已经成团的暗物质就开始吸引普通物质,进而形成了我们现在观测到的结构.因此这需要一个初始的涨落,但是它的振幅非常非常的小.这里需要的物质就是冷暗物质,由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名.
在开始阐述这一模型的有效性之前,必须先交待一下其中最后一件重要的事情.对于先前提到的小扰动（涨落）,为了预言其在不同波长上的引力效应,小扰动谱必须具有特殊的形态.为此,最初的密度涨落应该是标度无关的.也就是说,如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和,那么所有正弦波的振幅都应该是相同的.暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）.WMAP的观测结果证实了这一预言,其观测到的结果为n=0.99±0.04.
但是如果我们不了解暗物质的性质,就不能说我们已经了解了宇宙.现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞.但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的,暗物质中的绝大部分现在还不清楚.这里我们将讨论暗物质可能的候选者,由其导致的结构形成,以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质.
最被看好的暗物质候选者
长久以来,最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本粒子,它具有寿命长、温度低、无碰撞的特性.寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当,甚至更长.温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子,只有这样它们才能在引力作用下迅速成团.由于成团过程发生在比哈勃视界（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内,而且这一视界相对现在的宇宙而言非常的小,因此最先形成的暗物质团块或者暗物质晕比银河系的尺度要小得多,质量也要小得多.随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大,这些最先形成的小暗物质晕会合并形成较大尺度的结构,而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构.其结果就是形成不同体积和质量的结构体系,定性上这是与观测相一致的.相反的,对于相对论性粒子,例如中微子,在物质引力成团的时期由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构.因此中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的.在太阳中微子实验中对中微子质量的测量结果也支持了这一点.无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计.这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方,并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动.
低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因.第一,CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致.第二,作为一个特殊的亚类,弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度.如果粒子间相互作用很弱,那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的.之后,由于湮灭它们开始脱离平衡.根据其相互作用截面估计,这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%.这与观测相符.CCDM被看好的第三个原因是,在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子.
其中一个候选者就是中性子（neutralino）,一种超对称模型中提出的粒子.超对称理论是超引力和超弦理论的基础,它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到）,同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子.如果超对称依然保持到今天,伴随粒子将都具有相同的质量.但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺,于是今天伴随粒子的质量也出现了变化.而且,大部分超对称伴随粒子是不稳定的,在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变.但是,有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生.在最简单模型中,这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者.如果暗物质是由中性子组成的,那么当地球穿过太阳附近的暗物质时,地下的探测器就能探测到这些粒子.另外有一点必须注意,这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的.现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分.
另一个候选者是轴子（axion）,一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上）,它在大统一理论中起了重要的作用.轴子间通过极微小的力相互作用,由此它无法处于热平衡状态,因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度.在宇宙中,轴子处于低温玻色子凝聚状态,现在已经建造了轴子探测器,探测工作也正在进行.
CCDM存在的问题
由于综合了CCDM,标准模型在数学上是特殊的,尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定,但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论.现在,能观测到的最大尺度是CMB（上千个Mpc）.CMB的观测显示了原初的能量和物质分布,同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构.下一个尺度是星系的分布,从几个Mpc到近1000个Mpc.在这些尺度上,理论和观测符合的很好,这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上.
然而在小一些的尺度上,从1Mpc到星系的尺度（Kpc）,就出现了不一致.几年前这种不一致性就显现出来了,而且它的出现直接导致了"现行的理论是否正确"这一至关重要的问题的提出.在很大程度上,理论工作者相信,不一致性更可能是由于我们对暗物质特性假设不当所造成的,而不太可能是标准模型本身固有的问题.首先,对于大尺度结构,引力是占主导的,因此所有的计算都是基于牛顿和爱因斯坦的引力定律进行的.在小一些的尺度上,高温高密物质的流体力学作用就必须被包括进去了.其次,在大尺度上的涨落是微小的,而且我们有精确的方法可以对此进行量化和计算.但是在星系的尺度上,普通物质和辐射间的相互作用却极为复杂.在小尺度上的以下几个主要问题.亚结构可能并没有CCDM数值模拟预言的那样普遍.暗物质晕的数量基本上和它的质量成反比,因此应该能观测到许多的矮星系以及由小暗物质晕造成的引力透镜效应,但是目前的观测结果并没有证实这一点.而且那些环绕银河系或者其他星系的暗物质,当它们合并入星系之后会使原先较薄的星系盘变得比现在观测到得更厚.
暗物质晕的密度分布应该在核区出现陡增,也就是说随着到中心距离的减小,其密度应该急剧升高,但是这与我们观测到的许多自引力系统的中心区域明显不符.正如在引力透镜研究中观测到的,星系团的核心密度就要低于由大质量暗物质晕模型计算出来的结果.普通旋涡星系其核心区域的暗物质比预期的就更少了,同样的情况也出现在一些低表面亮度星系中.矮星系,例如银河系的伴星系玉夫星系和天龙星系,则具有与理论形成鲜明对比的均匀密度中心.流体动力学模拟出来的星系盘其尺度和角动量都小于观测到的结果.在许多高表面亮度星系中都呈现出旋转的棒状结构,如果这一结构是稳定的,就要求其核心的密度要小于预期的值.
可以想象,解决这些日益增多的问题将取决于一些复杂的但却是普通的天体物理过程.一些常规的解释已经被提出来用以解释先前提到的结构缺失现象.但是,总体上看,现在的观测证据显示,从巨型的星系团（质量大于1015个太阳质量）到最小的矮星系（质量小于109个太阳质量）都存在着理论预言的高密度和观测到的低密度之间的矛盾.