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位于日内瓦法瑞交界的欧洲核子研究中心(CERN)日前发布新闻称,该中心阿尔法(ALPHA)试验室科学家成功地将309个反氢原子“抓住”长达1000秒的时间,打破了迄今为止反物质留存时间最长纪录。
“如此长的时间足够科学家对之进行分析并进一步研究相关属性,尽管目前发现的反氢原子数量极其有限。”该试验室新闻发言人韩斯特先生(Jeffrey Hangst)表示。据了解,该中心科学家曾于去年11月利用反氢原子微弱的磁性,成功地用“磁场陷阱”束缚住了38个反氢原子并使其留存0.17秒。如果说,去年的试验发现进一步证明了物理学界的“宇宙对称学说”——确实存在反物质,那么本次试验结果则给人类研究反物质和进一步解读宇宙奥秘提供了现实可能性。
北京大学钱思进教授对记者形象地解释说,按照物理学对称理论,宇宙大爆炸产生了等量的物质与反物质,而反物质至今才被科学家发现。“如果这种对称理论存在,那么在遥远的宇宙中还存在着与我们当今现实物质世界完全相互对称的另一个反物质世界。”电子具有负电荷属性,按照此理论,一定存在一个正电荷电子;那么同样可以猜想在宇宙中还存在着另一个属性相反的“银河系”及其生存物体,包括千千万万个体存在的属性相反的人类;按照物理学能量守恒原理,宇宙大爆炸产生了属性不同的物质世界,但当这两个属性不同的物质世界相遇时则会产生能量(或者说爆炸)并瞬间消失,产生新的物质世界;如果上述能量足够大的两个物质世界的物体相遇时,就会产生地球和人类的灾难。
宇宙的神秘现象或多或少引起民间疑惑,普通民众担心类似“黑洞”、“反物质”、“磁单极”和“真空泡”等各类猜想。比如,高能粒子对撞产生的“黑洞”会把现实世界“吞噬”掉;大到犹如地球体积的“反物质”会与地球相遇时相互“湮灭”,并成为一团光等。
钱教授对此解释说,“这些担忧完全没有必要。”科学家奋斗了十几年,至今仅制造出如此少量的反氢原子,即使再努力10亿年,所能造出反氢原子数量与当今物质世界相比也微不足道;另外,地球经受了几十亿年的宇宙射线“轰击”,而“微观黑洞”只是一个理论假说,即使存在,它的特性也与星系间的大尺度“宏观黑洞”截然不同,其体积比质子还小,且寿命极短转瞬即逝,不会给现实世界留下任何影响和痕迹。
人类还远未充分认识物质世界。据欧洲核子研究中心资料介绍,在人类未知的96%的宇宙空间中,有70%的宇宙是由一种新形式的能量——“暗能量”所组成,而剩下26%的部分则是“暗物质”。与正常物质不同,“暗物质”凭借普通技术手段无法观测。而此次科学家发现的反物质并使之留存1000秒则为人类打开探索宇宙奥秘之门提供了钥匙。
该中心的科学家们曾用高频手段“轰击”反氢原子并记录了反氢原子消失的过程,这使人类可以首次尝试了解反氢原子的内部结构。据悉,在发现反物质之后,该中心科学家将在反物质与物质的等量属性上做进一步的研究,即在浩渺的宇宙中是否存在一个体积、重量、结构、外观等众多指标相同的另外一个反物质世界,以进一步证实物理学对称理论。
(本报日内瓦6月8日电 本报驻日内瓦记者 宋 斌)
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什么是反氢原子
用自然界不存在的原子进行试验在基础物理研究中作用很大,但是面临的重大挑战是,非自然存在的原子其存在的时间特别短暂。一般的反物质原子有一个粒子和一个反粒子,非常不稳定,存在的时间不到1微秒。反氢原子则完全由反粒子——一个带负电的反质子和一个带正电的正电子组成,根据宇称理论,氢原子比较稳定,反氢原子也应有等长的稳定存在时间。所以科研人员选用反氢原子来研究反物质。
反物质是由反粒子组成的物质,反粒子的质量等特性与组成普通物质的粒子相同,但电荷等特性相反。反氢原子是氢原子对应的反物质形态,氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成,反氢原子则与它正好相反,由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子构成。反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时,双方就会相互湮灭抵消,发生爆炸,释放出高能光子或伽马射线,能量释放率要远高于氢弹爆炸。
此次欧洲核子研究中心采用了先进的反物质捕捉技术,捕捉器每次捕捉到的反原子数量增加了5倍。科研人员相信,如果困住反氢原子的时间足够长的话,就可对反物质深入进行一系列基础研究,如研究电荷——宇称——时间逆反理论,反氢原子在冷却到一定温度时的重力效应。
反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克在20世纪30年代提出的。1932年美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子。2011年5月初,中美两国科学家合作发现了迄今最重的反物质粒子——反氦4。
正反物质的不对称疑难,是物理学界所面临的一大挑战。科学家认为,在宇宙诞生的大爆炸中产生了等量的物质与反物质。后来,由于某种原因,大部分反物质转化为物质。再加上有的反物质难于被观测,所以,人们观察到的世界主要是由物质组成。研究反物质原子的特性、比较它们与普通原子在物理规律上是否对等,有助于解开疑问。 (郭林）
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