第三節(jié)　反物質(zhì)和暗能量

一、反 物 質(zhì)

中國(guó)古代的《易經(jīng)》把世界的形成歸結(jié)為“陰陽(yáng)”，認(rèn)為陰陽(yáng)二氣演化并操縱著世間萬(wàn)物。這個(gè)遠(yuǎn)古的理論代表了中國(guó)古代哲學(xué)的核心思想，與當(dāng)今的粒子物理研究頗為契合，如果我們把物質(zhì)看作“陽(yáng)”的話，那么反物質(zhì)就可以稱作“陰”了。

物質(zhì)和反物質(zhì)猶如《易經(jīng)》中的陽(yáng)和陰

1928年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克提出了一個(gè)電子運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性量子力學(xué)方程，即狄拉克方程。根據(jù)這個(gè)方程，狄拉克從理論上預(yù)言，宇宙里應(yīng)該存在帶正電的電子，也就是所謂的正電子。4年之后，美國(guó)科學(xué)家安德森果真在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了這種特殊的粒子。與司空見慣的電子相比，這種粒子的質(zhì)量和帶電量完全相同，只是它帶的是正電，而電子帶的是負(fù)電。

正電子的發(fā)現(xiàn)，激發(fā)了科學(xué)家探索反物質(zhì)世界的熱情。1955年，反質(zhì)子在美國(guó)的一家實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)現(xiàn)。到20世紀(jì)60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被找到了。

在反物質(zhì)世界的成員被“抓捕歸案”后，人們面對(duì)宇宙，卻產(chǎn)生了困惑：為什么宇宙中正物質(zhì)占統(tǒng)治地位，而反物質(zhì)卻少得可憐呢？根據(jù)大爆炸理論，宇宙誕生之初，應(yīng)該產(chǎn)生出同等量的粒子和反粒子、正物質(zhì)和反物質(zhì)，可是為什么我們卻找不到大量的反物質(zhì)呢？

為了解釋反物質(zhì)稀缺之謎，科學(xué)家提出了以下假說。

當(dāng)一個(gè)粒子與它的反粒子相遇時(shí)，就會(huì)發(fā)生湮滅，在相互湮滅的過程中，正負(fù)電荷抵消了，不過并不是說兩個(gè)粒子就會(huì)“同歸于盡”，什么也不留下。粒子和反粒子具有相同的質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，這兩份質(zhì)量是不會(huì)因?yàn)榘l(fā)生湮滅而消失的。不過，質(zhì)量其實(shí)是能量的一種形式，在湮滅的過程中，它是可以改變自己的表現(xiàn)形式的。

正物質(zhì)與反物質(zhì)“不共戴天”，因此假如有反物質(zhì)穿越宇宙空間來(lái)拜訪我們的地球，會(huì)發(fā)生什么事情呢？

顯然，地球是正物質(zhì)，我們?nèi)祟愐惨粯樱际钦镔|(zhì)。那月亮呢？既然美國(guó)“阿波羅號(hào)”宇宙飛船上的航天員能夠登上月球而安然無(wú)恙，那么月球也是由正物質(zhì)組成的。太陽(yáng)雖然讓人畏懼，無(wú)法登陸，但是它會(huì)利用太陽(yáng)風(fēng)影響周圍的空間，向外散射一些帶電粒子流。太陽(yáng)風(fēng)顯然是正物質(zhì)組成的，否則我們的地球就會(huì)被它侵蝕掉?？梢赃@樣說，太陽(yáng)系是由正物質(zhì)統(tǒng)治的。

反物質(zhì)穿越太陽(yáng)系，幾乎不可避免地要遭遇到正物質(zhì)的“熱烈擁抱”。于是，這個(gè)反物質(zhì)將改變自己的性質(zhì)，很可能變成不帶電荷的粒子，或者成為一縷射線，這都是我們?nèi)祟惪梢杂^察到的形式?？墒?，我們?cè)趺粗肋@些粒子或射線的前身是天外來(lái)客——反物質(zhì)呢？

一些人認(rèn)為，反物質(zhì)是存在的，反物質(zhì)形成的星系也該存在，只是對(duì)我們來(lái)說，實(shí)在是難以觀察。它們也許躲避在遙遠(yuǎn)的宇宙深處，偶爾派遣來(lái)的“觀光團(tuán)”在路途中就遭遇了湮滅。目前認(rèn)為，宇宙中主要的質(zhì)量其實(shí)是暗物質(zhì)和暗能量，而由反物質(zhì)所組成的暗物質(zhì)和暗能量，也不是不可能。但這些物質(zhì)都是我們目前無(wú)法直接觀察到的，說不定它們躲在宇宙深處，自己組成了反物質(zhì)的樂園。

反物質(zhì)模擬圖

1933年，預(yù)言了反粒子的狄拉克在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)儀式上發(fā)表的演說中稱，他相信存在一個(gè)反物質(zhì)構(gòu)成的宇宙。之后，一些物理學(xué)家提出了“反物質(zhì)宇宙模型”學(xué)說，他們認(rèn)為原始宇宙由一半正物質(zhì)和一半反物質(zhì)構(gòu)成，隨著宇宙的膨脹，宇宙中的正、反物質(zhì)彼此分開并各自聚集為以正物質(zhì)為主和以反物質(zhì)為主的團(tuán)塊；在正、反物質(zhì)交界處，由于正、反物質(zhì)湮滅而產(chǎn)生巨大輻射壓，從而把正物質(zhì)區(qū)域與反物質(zhì)區(qū)域分隔開來(lái)，形成了彼此孤立的宇宙，兩個(gè)宇宙被“宇宙地平線”分隔開，因而不能相互觀測(cè)到。

持這個(gè)觀點(diǎn)的人認(rèn)為，我們不用擔(dān)心將來(lái)有一天反物質(zhì)會(huì)襲擊我們的星系，因?yàn)樗鼈兏揪筒缓臀覀兲幱谕粋€(gè)宇宙中！

據(jù)此有人猜測(cè)，像我們安心地生活在正物質(zhì)宇宙中一樣，很可能也有人居住在反物質(zhì)宇宙中，他們自身由反物質(zhì)組成，如反質(zhì)子、反中子、正電子等，他們周圍的世界，是由反物質(zhì)統(tǒng)治的，只有極少的正物質(zhì)存在。不過，他們是不會(huì)把自己定義為“反人類”的，在他們看來(lái)，我們的宇宙才是反的，而他們的是正的。

二、暗物質(zhì)與暗能量

星際空間，顧名思義，就是指星體與星體之間的空間。星際空間是什么樣子的？是真空的還是有物質(zhì)存在的？在如此廣袤的星際空間里，除了可以看得見的各種星系外，真的沒有別的物質(zhì)存在嗎？如果有又是什么樣的物質(zhì)呢？

人們?cè)谟^測(cè)星光時(shí)發(fā)現(xiàn)，星光在穿過星際空間后亮度大大減弱。這一現(xiàn)象表明，星際空間并不是絕對(duì)的真空，星際空間里同樣有物質(zhì)存在。據(jù)觀測(cè)，星際物質(zhì)中近90%是氫，另有10%是氦，塵埃中有水和甲烷的結(jié)晶，以及二氧化硅、二氧化碳、鐵、鎂等物質(zhì)。星際空間里的物質(zhì)極其稀薄，平均每立方厘米的空間內(nèi)僅有0．1～1個(gè)原子。

最新的天文觀測(cè)和膨脹宇宙論的研究表明，宇宙的密度可能由約70%的暗能量、5%的發(fā)光物體和不發(fā)光物體、20%的冷暗物質(zhì)和5%的熱暗物質(zhì)組成。即宇宙中有近90%是暗物質(zhì)，其中冷暗物質(zhì)——被稱做可能是宇宙早期遺留至今的一種看不見的弱相互作用的重粒子，是支持膨脹宇宙論的關(guān)鍵。

暗物質(zhì)三維數(shù)字地圖

約200年前，很多人還認(rèn)為星際空間是一無(wú)所有的真空。到了20世紀(jì)后，天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)有不少跡象表明星際空間存在物質(zhì)。為了解釋為什么沒有在宇宙空間發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的現(xiàn)象，有一部分天文學(xué)家認(rèn)為，由于反物質(zhì)內(nèi)在的不穩(wěn)定，自從宇宙創(chuàng)始到現(xiàn)在，反物質(zhì)已經(jīng)衰變殆盡。然而1979年，美國(guó)科學(xué)家利用高空氣球測(cè)出了星際空間中的反物質(zhì)流。這次重大發(fā)現(xiàn)否定了這種解釋，它證明了作為反物質(zhì)的主要形式的反質(zhì)子是穩(wěn)定的，并可以存在千百萬(wàn)年，在宇宙創(chuàng)始時(shí)曾形成數(shù)量相等的物質(zhì)和反物質(zhì)。

以太陽(yáng)系為例，八大行星加上可能存在的彗星，其總質(zhì)量還不到太陽(yáng)的1%，這涉及天體或星系團(tuán)演化的基本規(guī)律。更為重要的問題是宇宙中除質(zhì)子、中子、電子等會(huì)發(fā)光的物質(zhì)以外，是否還存在著原本就不會(huì)發(fā)光，而且也不會(huì)反射、折射或散射光的物質(zhì)，即對(duì)各種波長(zhǎng)的光，它們都是百分之百的透明體。答案是肯定的，這些所謂的透明體就是神秘的暗物質(zhì)，至于它們?cè)谟钪嬷姓加卸嗌俦戎?，目前尚無(wú)定論。

暗物質(zhì)究竟是什么樣的一種物質(zhì)呢？如果假設(shè)暗物質(zhì)是一種相互作用的亞原子粒子的話，那么由此形成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)就與科學(xué)家觀測(cè)的結(jié)果相一致。不過，最近對(duì)星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示，這一假設(shè)和目前的觀測(cè)結(jié)果之間存在著差異，但同時(shí)這也為多種可能的暗物質(zhì)理論提供了用武之地?？茖W(xué)家們通過對(duì)小尺度結(jié)構(gòu)密度、分布、演化以及其環(huán)境的研究，可以區(qū)分這些潛在的暗物質(zhì)模型，這為研究暗物質(zhì)的本質(zhì)帶來(lái)了希望。

人類在幾十年前第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。瑞士天文學(xué)家扎維奇發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，星系團(tuán)要想束縛住這些星系，它們的質(zhì)量必須達(dá)到根據(jù)其恒星數(shù)量計(jì)算所得到的值的100倍以上。此后的觀測(cè)分析證實(shí)了這種說法。雖然我們對(duì)暗物質(zhì)的本性仍然一無(wú)所知，但是到了20世紀(jì)80年代，人們已經(jīng)廣泛接受了暗物質(zhì)約占宇宙能量密度20%的觀點(diǎn)。

宇宙學(xué)家們傾向于一個(gè)簡(jiǎn)單的宇宙，其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn)，包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì)。在引入宇宙膨脹理論之后，許多科學(xué)家相信宇宙是平直的，宇宙總能量密度也必定是等于用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開放的臨界值。但事實(shí)上，觀測(cè)從來(lái)就沒有與此假設(shè)相符合過。這一觀測(cè)和理論模型之間的不一致性隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越明顯。同時(shí)，雖然在總物質(zhì)密度的估計(jì)上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒有大到使物質(zhì)的總量達(dá)到臨界值。

暗能量模型

暗能量可以解釋觀測(cè)到的物質(zhì)密度和由膨脹理論預(yù)言的臨界密度之間70%～80%的差異，還可以解決沒有足夠的物質(zhì)來(lái)解釋宇宙的結(jié)構(gòu)及特性問題。通過對(duì)超新星的觀測(cè)，兩個(gè)獨(dú)立的天文學(xué)研究小組吃驚地發(fā)現(xiàn)，宇宙正在以不斷增長(zhǎng)的速度擴(kuò)張著。因?yàn)?，此前大多?shù)的科學(xué)家都認(rèn)為宇宙的擴(kuò)張正在減慢。

美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的“威爾金森”微波各向異性探測(cè)器所進(jìn)行的關(guān)于宇宙微波背景輻射各向異性的觀測(cè)也證實(shí)了暗能量的存在，并且使它成為了宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分。暗能量占主導(dǎo)的宇宙模型便成為了一個(gè)和諧的宇宙模型。

如果沒有暗物質(zhì)就不會(huì)形成星系、恒星和行星，也更談不上有今天的人類了，正是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。現(xiàn)在我們所處宇宙的未來(lái)將由暗能量的特性所決定，它目前正使宇宙處于加速碰撞中。如果暗能量不會(huì)隨時(shí)間衰減或者改變狀態(tài)，這種加速膨脹態(tài)勢(shì)將持續(xù)下去，宇宙就會(huì)一直膨脹直至毀滅。

如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說已經(jīng)了解了整個(gè)宇宙。目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩種暗物質(zhì)——中微子和黑洞，但是這兩者只占暗物質(zhì)總量極小的一部分，暗物質(zhì)中的絕大部分現(xiàn)在還不清楚。就我們現(xiàn)在的科技水平，還無(wú)法完成在星際空間中長(zhǎng)距離的空間遠(yuǎn)行，這使得我們對(duì)星際空間的研究受到很大的限制。要想知道星際空間中還存在哪些物質(zhì)，還需要進(jìn)行不懈的研究。