专家揭秘暗物质与反物质+关系人类生死存亡

专家揭秘暗物质与反物质关系人类生死存亡(图)

为什么反物质遇到正物质就同归于尽？

暗物质是怎么被发觉的？

科学家最近在银河系中心发现气泡结构

宇宙中隐藏着大量暗物质

近日，清华大学与二滩公司联合建立的中国首个极深地下实验室，也是世界最深的地下实验室——“中国锦屏极深地下暗物质实验室”投入使用，这标志着全世界岩石覆盖最深的暗物质实验室正式建成启用。也标志着我国正式加入暗物质研究这个自然奥秘探索的最前沿领域。

而在上个月的11月17日，欧洲核子研究中心宣布他们成功捕捉到了反物质——反氢原子，并保存了较长时间。这个结果有可能为研究大爆炸理论提供可能的实验途径。

反物质、暗物质，经常看到这两种物质被科学家挂在嘴上，但它们究竟是什么东西？为什么这么多年来科学家一直孜孜不倦地探寻它们？它们存不存在、找不找得到，跟我们人类有什么关系？是不是一切都只是浮云而已？

反物质、暗物质，究竟是什么物质

南京大学天文系教授陈鹏飞老师告诉记者，反物质、暗物质目前看似和我们没什么关系，但是研究它们对人类来说有着很重要的意义。在回答这个问题之前，我们先了解一下什么是反物质，什么是暗物质，这两者有着很大的差别。

反物质：我们平常看到的宏观物质具体到微观世界，都是由一个个原子构成，原子是由质子、中子和电子组成，其中质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电，这样的物质可以被叫做正物质。而反物质一切相反，它的质子带负电荷，

电子带正电荷，中子和正物质里的中子性质也相反。所以就被称为反物质。

暗物质：目前我们观察的世界都是通过电磁波的方式传递到我们的眼中，光也是一种电磁波，但即便是不可见光，我们也可以用探测仪探测到，比如红外线、紫外线、γ射线等。但是，宇宙中还存在不以电磁波方式传播的物质，而这种物质也遵守能量守恒定律，能被探测到引力和重力，但人类就是看不见它们，而这部分物质就叫做暗物质，而暗物质产生的能量就被叫做暗能量。

反物质

反物质已证实存在，但每次都来去匆匆

提出反物质和暗物质概念并不是科学家心血来潮，毫无根据地编出来的，而是人们已经实实在在地感觉到了它们。

陈鹏飞说，反物质已经不止一次地被科学家们探索到了，它们是的的确确存在的。上世纪二三十年代，就有科学家提出并发现了带正电的电子，它们都是在实验室里被发现的，但存在时间都很短暂，因为反物质在遇到和它对应的正物质时就会湮灭，也就是消失或转变为其他物质了。比如这次欧洲核子研究中心研究出来的反氢原子，这38个人工制造的反氢原子被“保存”了大约0.17秒，因为一旦这些反氢原子遇到空气中正常的氢原子，它们就会产生湮灭效应，消失不见了。尽管如此，这个时间已经被认为是反物质存在时间较长的一次了，一般它们都是转瞬即逝的。

所以，在地球上，是很难发现反物质的，一般都是在核实验中才会出现。而在地球之外，这种物质是常见的，比如太阳上就有，因为太阳本身就是个不断发生核反应的星球。但这些反物质也是转瞬即逝，变成光和热了。

反物质对人意义重大，关系到人的生死存亡

即便如此，人们虽然已经找到了反物质，但目前的发现还只是九牛一毛。陈鹏飞说：“我们现在只是知道了反物质的存在，但是还有很多关于反物质的问题没有弄清，其中一个疑问就是宇宙中的反物质为什么比想象中的少。”

现有理论认为，宇宙大爆炸将产生同样数量的物质和反物质，也就是说任何事物都是“对称”的。物质和反物质拥有相反的电性和磁场特性。当两者相遇便会发生“湮灭”，仅剩下“纯粹”的能量。但假如真的这样，那么宇宙中就不应该存在任何物质。可事实上物质又确实存在着，而反物质倒是不见了，这又说明了物质的“不对称性”，这究竟是怎么回事呢？而如果是对称的，那反物质都跑到哪里去了？这些都是我们还要不停探索的问题。

另外，如果在宇宙的某个角落发现了反物质，会对我们人类产生什么影响？万一我们碰到了反物质，我们能否有办法不湮灭呢？比如哪天我们正好遇到了一个和我们人体组织相反的物质，那两者相遇是否就会全都消失了呢？

暗物质

暗物质还没“看”到，但能感觉到

而暗物质，我们探索它也有很重要的意义。陈鹏飞说，目前人类对暗物质的探索还是停留在理论阶段，因为它们一直都没有真正被发现。暗物质的寻找比反

物质困难多了，因为我们不知道用什么办法来探测它们，因为我们看不见它们，不知道它们是以什么方式存在，也就不知道用什么方法来探测它们。但它们又确确实实地存在着。

陈鹏飞说，为什么人类会提出暗物质的概念，是因为科学家在计算星球速度时发现了不对劲。就拿太阳来说，它围绕着银河中心以一定的速度在旋转，这是引力引起的，而根据它的速度，可以计算出银河系中心应该存在多大质量的物质使它产生了这样一个速度。但是经过计算，人们发现以太阳这样的速度，银河系中心现有的物质根本无法产生这么大的引力，而是需要更多的物质才能产生，但是这些物质究竟是什么呢？为什么我们观察不到呢？

后来，天文学家又计算更大的星系团，发现依然出现这样的问题，于是科学家们猜测，在宇宙中，还存在着人类目前无法看到的神秘物质，而且它们占据的比例非常大，比现有我们能观察到的多得多，可能要占到90%左右。

宇宙中竟然有这么一大部分的物质是我们人类不知道的，这对好奇心和探索心特浓的地球人来说是多大的一个打击！所以，才有无数的科学家前赴后继地致力于寻找暗物质，如果哪天我们发现了暗物质，那么对之前我们所认识的宇宙，可能又将是一次新的大爆炸：

宇宙是否还是那个宇宙？人是否还是那个人？一切都充满未知，一切都不再是浮云。

同样，对反物质的探索也是如此。

狄拉克与反物质

一片神奇的“新大陆” —————狄拉克与反物质本世纪二十年代，相对论和量子力学相继建立，人们立即想到把量子力学和相对论统一起来．1928年，保罗．狄拉克（P．A．M．Dreac 1902—1984）首先提出相对论波动方程，这个方程以其简明深刻的物理内涵打开了通向形式复杂、内容丰富的相对论量子力学知识宝库的大门，狄拉克在尝试二十世纪的两个最重要的原理结合起来的实践中，凭借自己非凡的想象力，大胆地预言了存在一片尚未开发的神奇的“新大陆”——反物质．一、狄拉克的预言 1927年，海森堡（WK．Hersenberg l901—1976）和薛定谔（E．Sehrodigerl887—1961）从不同途径得出的量子力学的数学形式，这些形式能够圆满地把不表现相对论效应的所有撤观现象都概括进去，而且解决得相当成功但是，当把相对论性也考虑进去时，便退到了极大的困难．1928年，狄拉克以此为探索的起点，从相对论和量子力学的一般原理出发，提出了一个描述单个电子运动的相对论性的量子力学方程．实践表明，这是一个正确描述高速运动的电子的量于力学方程．但是，沃拉克理论本身却存在着一个严重的困难．因为，狄拉克方程有两个解，一种解，粒子总能量是正的；另一种解，粒子的总能量是负的，即存在无穷多的负能量态，并且正能态和负能态是完全对称的．这样，狄拉克方程极为鲜明地提出了一个所谓“负能态”的科学问题．为了解决方程中的“负能”的出现是否合理性，狄拉克根据泡利不相容原理，于1930年提出了一个大胆的设想，并首先对“真空”这一古老的概念进行了全面革新；他认为；物理上的所谓真空并非真的空无一物，实际上是所有的负能态全部为电子所占据，形成负能态的“电子海”，同时，所有正能态都是没有电子占有的状态，这些无穷个负能电子的电荷、惯性以及于电磁场的作用将不造成任何可观察的效应．由于电子满足费米统计规律，遵从泡利不相容原理，每个态上只能被一个电子所占据，所以，这无穷多的电子分别占据在无穷多的负能海上，且全部占满．狄拉克在”电子海’”的基础上，又进一步展开想象的翅膀，他想，既然真空是全部填满的负能电子海，那么从电子海中挖出一个电子又相当于什么呢？那就会出现一个正能态的电子和一个负能态的空穴．狄拉克认为激发出来的这个正能态电子，它带一个单位的负电荷，而电子被激发出以后在电子海中留下了这个空穴，就表现为一个带正电荷的电子，因此，“负能态”这一科学问题的一个必然的逻辑推论是；自然界中存在一种与电子性质相同，具有相反电荷的粒子——正电于．二、正电子的发现狄拉克以其敏锐的眼光从理论上大胆地预言，自然界中存在着正电子．他慎重地指出正、负电子对能够由光子在真空中产生出来；当正电子和负电子碰撞时，就会湮灭变成光子．狄拉克的预言一开始在科学界并没能引起注意，一些人对此很不以为然．例如泡利（L．W Pawli l900—1958）就说过；“使理论（指狄拉克方程）保留目前形式的企图，在其结果面前看来是毫无希望的了”．然而时隔不久，1932年，美国物理学家安德森（C．D．Anderson l905年生）在云室中出乎意料的拍到了一张正电子的照片．实验是这样的；安德森利用放在强磁场中的威尔逊云雾膨胀一次的速度拍照．在云雾室中，他加了一块6毫米厚的铅板，当字宙线中的粒子通过室内的强磁场时，用快速拍照的方法拍下粒子径迹的照片．安德还原以为宇宙线打出来的次级带电粒子应该都是电子，但结果他却发现了与众不同的照片安德森根据粒子在磁场中偏转的方向和磁场的方向，得知这种粒子是带正电的；根据粒于径迹的长度、粗细、曲率半径以及磁场的强度等数据，发现这种粒子的速度很高而动量却不大，说明它的质量很个，肯定不是质子；根据水滴密度判断这个粒子的径迹与电子的径迹却很相似．当时，安德森并不知道狄拉克关于正电子的预言，而且以自己的实验事实发现了一个与狄拉克在数学推理中导出的相同的科学问题．后来，当他得知秋拉克的理论预言后，立即把自己观察到的质量与电子质量相同的带正电荷的电子命名为正电子”．正电子的发现在物理学史上是一个重要的里程碑，它导致了量子场论的诞生．在正电子发现后的1934年，约里奥一居里夫妇（F-Joliot l900一1958、I- Joliot-Curie l897—1956）证明，能量超过50万电子伏特的两个光子

高中地理 1.3《人类对宇宙的新探索》教案4 人教版必修

人类对宇宙的新探索① 教学目标 1．知识目标：了解人类认识的宇宙范围在不断扩大，理解宇宙探索的意义，了解宇宙探索的现状。 2．德育目标：培养学生热爱科学和勇于探索的精神，认识保护宇宙环境对开发、利用宇宙的重要意义。 3．能力目标：培养学生观察能力、读书能力、分析综合思维能力等学习能力。教学方法导学式。教学重点宇宙探测的意义。教学媒体利用投影仪、录像片。教学过程【导入新课】播放录像：航天飞机发射。【教师说明】这是1998年6月3日清晨美国发现号航天飞机升空时的情景。【教师提问】搭载它一起升空的有一个什么仪器？学生回答：阿尔法磁谱仪。【教师提问】阿尔法磁谱仪的任务是什么？学生回答：探索宇宙本源，寻找暗物质和反物质。

【教师讲述】阿尔法磁谱仪进入太空，探索宇宙本源是人类对宇宙的又一次新探索。今天我们一起来学习人类对宇宙的新探索。【教师提问】人类利用哪些手段了解宇宙呢？学生回答：双眼、望远镜、人造卫星、航天飞机、宇宙飞船等。【教师提问】人类对宇宙的新探索始于哪种探测手段？学生回答：1957年10月4日，前苏联第一颗人造地球卫星上天。因为它是首次在地球以外观测地球。【播放录像】《第一颗人造地球卫星》【教师提问】谈一谈你所知道的人类从此以后又有哪些新探索手段？进行了哪些探测活动？获得了哪些成果？【出示投影】（补充资料）人类对宇宙的新探索（1）1959年，前苏联发射成功“月球3号”，它所携带的自动行星际站绕到月球背面上空，第一次主动拍摄了人类从未见过的月背照片。（2）1961年4月21日，前苏联宇航员加加林乘座“东方号”宇宙飞船用108分钟绕地飞行一周，成为第一个飞出地球的人。（3）1969年7月20日，美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗乘座“阿波罗11号”宇宙飞船登上月球。（4）1971年，前苏联第一个“礼炮号”空间站发射上天。（5）1976年，美国发射的“海盗号”飞船第一次登陆火星。（6）1988年11月15日，前苏联发射第一架航天飞机“暴风雪号”。（7）1995年，美国“阿特兰蒂斯号”航天飞机和俄罗斯“和平号”轨道空间站首次对接成功。（8）1997年7月4日，美国“探路者号”飞船顺利在火星上着路。【教师提问】人类这些探索活动与望远镜观测有何不同？学生回答：排除大气干扰，可直接取样。【播放录像】《宇航员与月球车》

到底什么是反物质

到底什么是反物质？为什么要研究反物质？我的天空里没有太阳，总是黑夜，但并不暗，因为有东西代替了太阳。虽然没有太阳那么明亮，但对我来说已经足够。凭借着这份光，我便能把黑夜当成白天。——东野圭吾《白夜行》大爆炸之后的138亿年，宇宙仍然充满各种天体，所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在，那么反物质都去哪里了？在近日于美国芝加哥举办的第38届高能物理国际会议上，日本科学家对于为什么现在的宇宙间充满了正物质而非反物质，给出了一个解释：中微子这种亚原子粒子在物质形态和反物质形态的表现不同。不过，他们也表示，还需要收集更多数据才能对此解释进行确认。为什么宇宙中有物质？这是物理学中最大的谜团之一。恒星、行星、星系和星系团都是由物质构成的，植物和动物也是由物质构成的。本来这是极为自然的事情，但是另一种奇怪的东西出现后，我们就陷入了理解的困境，这种东西就是反物质。根据我们对宇宙起源和反物质的了解，物质和反物质都应该是不存在的。因为，反物质具有一个非常重要的特点：当它和物质结合时，会相互湮灭抵消，并产生巨大能量（光子）。另一方面，物理定律表明，宇宙大爆炸产生的巨大能量应该创造了等量的物质和反物质。而问题就出现在这里——按理说，等量的物质和反物质相遇，就会“同归于尽”。可是大爆炸之后的138亿年，宇宙仍然充满各种天体，所有这些天体都是由物质组成的。既然物质都还在，那么反物质都去哪里了？反物质是如何被发现的？我们先从反物质的物理渊源说起。故事开始于1928年左右。当时，物理学正处于重大改变期。爱因斯坦提出了相对论，阐述了引力的本质，以及当物体以接近光速运动时会发生什么情况。而另一群物理学家正在发展量子力学，来描述粒子的行为。与此同时，英国物理学家保罗·狄拉克试图将这两者联系起来。狄拉克提出了一个描述电子运动的数学方程式，即狄拉克方程。这是一个既具有量子力学特征，又满足狭义相对论要求的方程。在方程中，和电子共同存在的还有另一种粒子。它并不是传统带负电荷的电子，而是奇怪的带着正电荷的电子——也就是电子的反粒子。 1 931年，狄拉克预言了电子的反粒子即“反电子”的存在，他还进一步提出质子及其他粒子也应该有相应的反粒子。如果所有粒子都有反粒子，那么就有可能存在完全由反粒子组成的物质，这种物质就是反物质。这是人类第一次意识到可能存在反物质。其实早在狄拉克提出反粒子概念之前，反粒子就已经在实验室里留下了踪迹，但被实验物理学家忽略了。那时实验室内探测带电粒子径迹的主要工具是“云室”，云室中高能粒子经过的路径上会出现一条白色的雾，也就是粒子运动的径迹。在云室内施加磁场后，带电粒子会发生偏转，产生弯曲的径迹。一些科学家注意到，磁场中有一半电子向一个方向偏转，另一半向相反方向偏转。然而长期以来，人们一直认为电子只有一种，因此他们未曾想到那些反常的径迹是反粒子造成的。在狄拉克预言“反电子”之后，美国物理学家卡尔·安德森怀疑云室中另一半的电子就是“反电子”，于是他开始做实验来证明。1932年8月，他收集到了足够的数据，正式确认“反电子”的存在，并将它们命名为“正电子”。至此之后，反物质成为了物理学以及科幻小说的一部分。如何找到宇宙中的反物质？据狄拉克方程，反物质会和普通物质遵守一样的自然规律。在这种情况下，宇宙中的物

分别对待暗能量、分别对待暗物质的报告之三

分别对待暗能量、分别对待暗物质的报告之三：介绍刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律，与爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误。【一】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之一：将有条件的场客加速远离，当成了无条件的场客加速远离。换言之，将有条件的场客加速远离，当成了所谓“宇宙速胀”。【二】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之一：爱因斯坦们所谓“宇宙速胀”，是没有的事；而“有条件的场客加速远离”，是确有的事。

【三】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之二：试图自所谓“爱因斯坦方程”，求解“暗能量”。【四】事实上，所谓“爱因斯坦方程”，原本不能成立。【五】“爱因斯坦方程”不能成立的原因，是；等号前方的微分张量，不能等于等号后方的非张量。【六】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之二：克服了爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之二，才能解出“荦谧加速能”（荦能额与谧能额）。【七】刘辰楼“荦谧加速能”科学的重大五规律之三：无客速的场客，不会加速远离；客速不够大的场客，也不会加速远离。【八】爱因斯坦们“恶煞暗能量”推想的严重五错误之三：不问场客“加速远离所需的初速值”。【九】场客盘速{（Rcosθ）φ速}为零、场客局纬速（Rθ速）也为零时，刘辰楼的场客局速算式，表明：R加速度〒-（荦能额对R的偏导数）c平方exp（4荦能额+2 谧能额）+（3荦能额对R的偏导数+谧能额对R的偏导数）R速平方。【十】加速远离，就是：R加速度＞0。【十一】所以，“加速远离所需的初速值”，其平方，R 速平方＞{（荦能额对R的偏导数）/（3荦能额对R 的偏导数+谧能额对R的偏导数）} c平方exp（4荦

史上最低调的天才—狄拉克

狄拉克人类社会因科学进步，而科学家就是推动科学发展的源泉。但不知从何时起，人们对科学家有了一个少言寡语，不善交际的刻板印象。事实上，尽管科学家或多或少都喜欢沉浸在自己的世界里，但也绝非如此孤僻的。他们与数字为伴，与公式共舞，他们一生致力于推动人类进步的伟大事业。总是孤独清苦，却一生无悔。今天我们要讲的狄拉克就是这样一位可爱又可敬的传统物理学家。保罗狄拉克，量子力学的创始人之一，不仅预言了磁单极子，更发现了反物质，是物理学界公认的最顶级天才之一。曾为科学、为人类做出过巨大贡献。只可惜当今世界知道这个名字的人却寥寥无几。或许这也与它独特的性格有关吧。1902年，保罗·狄拉克出生于英格兰布里斯托。母亲是英国人，父亲是来自瑞士的移民，是一位法语教师，对家人严厉而专制，他规定孩子们在家只能说法语。据迪拉克自己的回忆，家中完全没有社交气氛。即使是家人之间，华液介绍，每次用餐之时，母亲与迪拉克的哥哥费里克斯以及妹妹在厨房里吃饭。而迪拉克和父亲两人则坐在餐桌上狄拉克的法语不好，英语父亲又不听。因他便宁愿选择不吱声，什么也不说。后来狄拉克和哥哥费利克斯同在布里斯托大学同学工程。兄弟俩在街头碰见擦肩而过也互不言语。因此狄拉克从小就对家人间无交流的现象习以为常，以为家家都如此。后来狄拉克的哥哥终于在沉默中爆，于1925年自杀身亡。所以看起来，哥哥的自闭症恐怕还胜于迪拉克，直到狄拉克见到父母因为哥哥的死悲痛万分时，他才恍然大悟，原来家庭成员之间还是有亲情存在的。狄拉克后来回忆时说，我那时才知道原来父母亲是很在乎我们的，只可惜从小养成的性格早已根深蒂固，难以更改了。长大后的狄拉克照样沉默寡言，不喜欢和别人打交道，很少主动说话甚至可以连续几个星期足不出户，很难让人接近。他的兴趣爱好不是很多，既不抽烟也不喝酒，唯一的娱乐项目是也偶尔看个连环画或是米老鼠的电影而已。所以在他的很多同事看来，狄拉克对数学之外的事物毫无兴趣。以致当他结婚时同事们都感到十分惊讶，不过值得庆幸的是性格上的缺陷并未限定住这位伟大的天才。狄拉克从小就展现出远超常人的数学天分。21岁时就以优异的成绩考入剑桥大学。7年后年纪28岁的狄拉克便出版了巨著《量子力学原理》，这是物理史上重要的里程碑，至今仍是力量子力学的经典教材。书中提出了很多看起来很古怪的论断，甚至用方程预示了反物质的存在。当时他的同事还在被方程的哲学含义而困扰时，狄拉克却突破性的提出语言是危险的，必须注重方程科学本身的价值。他认为基础物理是可以优雅的数学中拾取的，这一观点已渗入到整个探索自然的领域。由于贡献突出，1932年正处于而立之年的狄拉克荣获了剑桥大学卢卡斯数学荣誉讲座教授的职位，曾荣登此宝座的还有大名鼎鼎的牛顿和霍金，次年，又因建立了狄拉克方程荣获当年诺贝尔物理学奖，这莫大的荣誉落在在任何人头上都该觉得自豪不已，而性格内向的他却对好友卢瑟福说想拒绝这个荣誉，因为他讨厌名声，讨厌工作媒体的大肆议论和宣传。卢瑟福对他说：“如果你这样做，你会更出名，人家更要来麻烦你。最终，狄拉克像出嫁的姑娘一样，羞答答地走向了诺贝尔将领奖

暗物质的解释

暗物质是一种比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中84.5%的物质含量，其中人类可见的只占宇宙总物质量的10%不到（约5%）。暗物质无法直接观测得到，但它能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。暗物质的存在一经证实，意味着人类首次发现了暗物质存在的形式，将是物理学的重大突破。暗物质被称为“世纪之谜”。它“霸占”了宇宙95%的地盘，却摸不到看不着，甚至让爱因斯坦都迷糊了，否认了它的存在。令人兴奋的是，经过10年观测，紫金山天文台专家捕捉到了很可能是暗物质留下的“足迹”——高能电子，这可能是暗物质存在的一个有力证据。学界轰动——什么是暗物质？看不见、摸不着、重如山？在现代天文学界和物理学界，有一个被科学家称为“世纪之谜”的问题待解，它也是困扰现代物理学发展的一个重大难题，这便是暗物质，暗物质的本质到现在还不清楚。 1937年，天文学家弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，然而星系的运行速度远远超出万有引力公式计算出的结果，这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外，还存在其他引力。天文学家进一步推断，在人类已知的宇宙物质之外，还有一种物质存在。平常人很难理解暗物质，常进告诉记者：“这个物质很奇怪，不仅本身不发光，而且光线也射不进去，所以人是看不到的。最令人惊讶的是，它虽然摸不到，却有重量和引力。” 常进介绍，最新的天文观测表明，宇宙的组成包括普通物质、暗物质和暗能量，其中暗物质占宇宙25%，暗能量占70%，我们通常所观测到的普通物质只占宇宙质量5%。宇宙“暗”的一面，主宰了整个宇宙。有趣的是，爱因斯坦曾提出暗物质这个概念，又被他自己否定了，原因很简单，他认为暗物质破坏了他的经典论著《相对论》的优美。据国外媒体报道，暗物质是宇宙中最为神秘的物质之一，我们无法通过肉眼看到暗物质，更重要的是暗物质在宇宙质能中占据了很大一部分，科学家此前发现在银河系周围也存在大量的暗物质。黑洞银河系中央就是黑洞，很奇怪，在靠近黑洞表面的时候，时间似乎停止了，光到那里也不走了，一切就好像停住了量子力学研究最小物质的理论弦理论弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”。认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”，

暗物质与暗能量的统一性研究

暗物质与暗能量的统一性研究发表时间：2019-06-10T14:58:52.437Z 来源：《知识-力量》2019年8月27期作者：张天成[导读] 随着世界的不断发展，暗物质和暗能量在粒子物理和宇宙学研究中越来越引起了大家的关注和重视。这是在21世纪中两个重大的科学问题。本文首先简单介绍了暗物质的基本定义和特点，暗能量的基本定义与特点，阐述了暗物质与暗能量统一的理论模型，最后利用该理论完善了宇宙大爆炸模型。（马来亚大学）摘要：随着世界的不断发展，暗物质和暗能量在粒子物理和宇宙学研究中越来越引起了大家的关注和重视。这是在21世纪中两个重大的科学问题。本文首先简单介绍了暗物质的基本定义和特点，暗能量的基本定义与特点，阐述了暗物质与暗能量统一的理论模型，最后利用该理论完善了宇宙大爆炸模型。关键词：暗物质；暗能量；统一性；研究一、暗物质的基本定义与特点暗物质（Dark matter）是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运牛顿万有引力的现象动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中，其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型（ΛCDM模型）可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%。由于暗物质的神秘，现在世界上产生了不同的物理理论说法。一种是说暗物质就是一种具有质量的可以相互作用但是作用力非常微弱的粒子。这种说法目前被物理学家们广泛的接受和认可。其质量与相互作用强度在电弱标度附近，在宇宙膨胀过程中通过热退耦合过程获得目前观测到的剩余丰度。但是也有另一种说法，是说暗物质是由轴子，惰性中微子等这些类型的粒子组成。暗物质的存在已经得到了广泛的认同,然而目前对暗物质属性了解很少。目前已知的暗物质属性仅仅包括有限的几个方面：目前大部分物理学家对暗物质的存在都有一定的认同，但是暗物质的特点都有哪些，这些物理学家知道的还不太多。目前所了解的暗物质的特点主要表现在以下几个方面：第一，暗物质是一种有质量的粒子，暗物质之间可以相互产生引力，但是暗物质的质量大学目前还是个未知数。第二，暗物质具有很强的稳定性。因为通过研究发现，暗物质几乎存在于宇宙形成各个阶段，在宇宙结构形成的各个过程都有暗物质的存在，所以暗物质应该是在能宇宙上稳定的存在的。第三，暗物质之间的产生的相互作用力非常弱。暗物质和光，电等之间产生的作用特别小，几乎看不出。我们从原初核合成可以看出。如果相互作用力大的话，这个过程就会受到刺激和扰动。将导致暗物质的元素产生一系列的变化，会使得观测结果不一致。第四，我们通过电脑模拟宇宙大尺度结构的形成过程中发现，暗物质的运动速度远远低于光速，即“冷暗物质”，不然我们的宇宙无法在引力作用下形成目前观测到的大尺度结构。因此，目前我们所知道的暗物质粒子还不一定是准确的，也是不属于我们已知的任何一种基本粒子。这对当前极为成功的粒子物理标准模型构成挑战。二、暗能量的基本定义与特点暗能量存在于宇宙运动中，它通过自身的引力作用推动宇宙运动，由于暗能量目前还不能吸收光，也不可以反射或者说辐射光，因此，截止到目前，人们还不能利用现在的技术对暗能量进行监测。但是暗能量可以与光产生一种中和作用，这种作用可以影响到同级暗能量的分布范围。当暗能量与光反应时，会对作用域的时间产生影响，绝对速度v0>c，此时作用域的能量E产生跃迁，根据E=mc2，作用域内的物质质量会有减少。由于宇宙空间不断发生的中和反应，作用域内的物质质量不断减小致使物质的引力减小，出现宇宙膨胀。随着宇宙膨胀可以伴着时间的变化而变化，那么宇宙膨胀的高精度测量对我们来研究宇宙增加了很大的困难，在广义相对论中，我们发现，宇宙的膨胀速度主要由宇宙状态的方程式决定，如何确定暗物质和暗能量的状态方程式是宇宙学比较关注的问题。三、暗物质与暗能量统一之宇宙大爆炸 “大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。通过暗物质和暗能量的基本定义和特点阐述来看，我们发现暗能量的产生与暗物质不可分割。暗物质与暗能量的统一可以从宇宙大爆炸模型来说。最初的宇宙起源于密度特别大的奇点，这个奇点会在某个时刻存在不平衡的状态，这时候就产生了第一次大爆炸。但是这次大爆炸一直都没有被发现，因为没有任何明显的现状，奇点并没有破碎，但是奇点在力的粒子和周伪散落，慢慢地奇点失去合力产生了第二次大爆炸，这次的爆炸导致整个奇点破碎了，暗物质与重子物质也随之散开，冷却后形成了现在的宇宙。这就是著名的宇宙大爆炸。这时候宇宙中的各种天体在暗物质的引力下迅速膨胀，宇宙中的重子物质和暗物质圈几乎重叠在一起，宇宙就开始不断收缩，最后塌陷到奇点，时间再次回到原点。结论 “宇宙并非永恒存在，而是从虚无创生”的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。虽然我们看到暗物质的作用力方向和暗能量的方向完全相反，但是这种现象有很大可能是由同一种物质导致的，很大可能就是本文所讲述的暗物质。这种物质在内部主要呈现出引力的作用，在外部主要呈现出反引力。通过研究暗物质与暗能量的统一性分析，也发现这个理论对宇宙大爆炸现象有很强的说服力。参考文献 [1]周烨.浅谈暗物质与暗能量要求及新技术的应用[J].山东工业技术,2019(06). [2]孙彩虹.暗物质与暗能量在物理系统中的应用解析[J].通信电源技术,2018,35(10). [3]张晓丽.暗物质与暗能量在物理系统中的运用分析[J].科学技术创新,2018(28). [4]刘振宗,陈智远.暗物质与暗能量统一性研究分析[J].技术与市场,2018,25(12). [5]李思明,王宇翔.暗物质与暗能量研究[J].科技风,2018(31). [6]李苏.试论暗物质与暗能量统一性模型研究[J].科技与创新,2018(18).

反物质的发现史

反物质的发现史作为物理学的一种概念和一种思想，反物质早在1898年就曾被英国科学家舒斯特（1851～1934）大胆地作过预言，他认为既然物质是由带正、负两类电荷组成的，那么物质也应该有正反两种．他甚至预言，在宇宙空间可能存在着反物质组成的恒星和星云．然而舒斯特的预言没有科学论证，仅是一种臆测．后来狄拉克对反物质的预言作出了严格的理论论证． 1928年元月，狄拉克用四行四列矩阵代替泡利的二行二列的δ矩阵后，成功地把非相对论性的薛定谔方程推广于相对论情况，得到了著名的狄拉克方程．这一方程立即带来了四项伟大的成就：①电子的自旋是狄拉克方程的自然推论，而不像薛定谔方程需要人为的加上去；②电子的磁矩值可以直接从方程得到； ③应用到氢原子时方程能够自动得到氢光谱精细结构的索末菲公式；④可以计算出光和相对论性电子的相互作用．这四项成就表明，狄拉克方程将量子力学中原来各自独立的主要实验事实，统一到一个具有相对论性不变的框架里．但是，在取得这些巨大成就的同时，也出现了一个严重的困难，这就是负能态之谜．由狄拉克方程可以得出，电子应当有四个内部状态，于是其能级应该是非相对论性解的四倍．薛定谔方程引入自旋后，能级值变成二倍，但这是人为引入的，显得十分不自然．狄拉克方程改变了这种不自然的状况，自旋是方程的一个自然推论．但是，还有两个状态意味着什么呢?经过苦苦思索后，狄拉克认为这种状态数加倍的原因是因为存在负能量．负能量概念的产生，在物理学思想史上是一件非常有趣而又令人深思的事件．根据相对论中能量与动量之间的联系式Ｅ２＝ｃ２ｐ２＋ｍ２ｃ２，可以得到Ｅ＝±．在经典物理学中，负值肯定会被认为是增根而舍去．最开始，狄拉克也认为Ｅ的负值应该排除，但是，后来他有新的看法，他认为在量子力学中不能将负值作为增根删去，相应于负的能量值的解应当具有物理意义．这样，每一个自旋方向都有Ｅ的两种解，粒子总共就有2×2＝4个内部状态．可是，说电子具有负能状态，这不仅过分离奇而且会引出很多佯谬．首先，由于负能级没有下限存在，原子结构的稳定性成了问题．因为根据量子力学原理，力学量可以从一个值不经中间值而跳到另一值，这样，一个处于正能态的粒子就可以无限制地向更低能级跳跃，好像在无底的深渊里不断往下落，原子就不可能稳定．这显然与事实不相符．其次，有了负能态的电子，其行为将无法解释．对一般电子，当它与其他粒子相碰损失能量后，它可以跃迁到负能级并不断加速，直到它的速度等于光速，这与相对论又发生了冲突．这些佯谬引起了严重困难，到1929年12月，经过一年多的艰难探索，狄拉克提出了一种新的真空理论，即所谓“空穴理论”来防止电子的灾难性加速．在狄拉克提出新理论之前，真空被视为极其简单的基态，是纯粹的一无所有的虚空，具有高度的对称性，即使是非相对论量子力学，也是这样看待真空的．但按狄拉克的理论，真空并非纯粹的“虚无”，而是所有电子负能态的“空穴”都被电子填满，形成一种所谓“负能态的电子海洋”，与此同时，正能态的能级都是空着的．这也就是说真空是负能态填满而正能态真空的状态，是能量最低状态．为什么这种真空理论能解决电子的灾难性加速呢?由泡利不相容原理可知，每一确定的电子状态只能容纳一个电子，那么，负能态的空穴既然已被电子填满，那么正能态电子理所当然就不能再往负能区域跃迁，这就保住了原子的稳定性．在负能态的海洋中，如果有一个电子受到激发而跃迁到正能级，这一过程可以看成是正能态电子从正能级跃迁到负能级的反过程，因而负能级电子从“真空”跃迁到正能级后在负能级留下的空穴，就相当于一个具有正能量的电子，这个空穴就是反物质概念的原型．虽然狄拉克用纯数学的方法对电子自旋和磁矩的解释非常成功，同时也用数学方法推出了新的粒子，但绝大多数著名物理学家都对狄拉克的理论持怀疑态度． 1931年5月，狄拉克虽然接受了许多批评，但硬着头皮说：“如果存在一个空穴的话，它将是一种

暗物质和暗能量是如何形成的解读

暗物质和暗能量揭秘开始想写这篇文章，源于多年对宇宙物理学的浓厚兴趣。对于宇宙如何诞生，演化也有一些自己的观点。特编写出来和广大宇宙物理爱好者共研。由于本人水平有限，不妥之处请朋友谅解，不胜感激。 1.宇宙的本质是什么？宇宙万物及我们人类存在于广阔无艮的宇宙之中，我们大多数人也许不会去思考的一些问题—宇宙为什么能存在？为什么会有宇宙？其实中外古今有许多人是对这个问题进行过探讨，如我国的盘古开天辟地，轻清上浮为天，重浊下沉为地，天地间隔随时间不断加大，女娲抟土而造人的理论。西方的上帝创造宇宙，再创造了一个男人亚当，用亚当一根肋骨创造出第一个女人夏娃的理论。当然还有其他创世神创世等各种学说。这些学说我们先不要妄言其一定是谬的，可是都有一个共同的不解之处，那就是创世神是存在于哪里，创世神所在那个世界又是怎么来的？如果不能解释这个问题，那这些理论就不是成熟的理论了。现在有一个理论认为宇宙是起源于一次大爆炸，宇宙是从一个几乎无限小的奇点大爆炸而产生的，这就是著名的宇宙大爆炸起源理论。1929年，美国天文学家哈勃通过观测遥远星系的红移提出星系的红移量和星系的距离成正比的哈勃定理，并推导出星系都在远离的宇宙膨胀学说。大爆炸宇宙论是一种观测证据最多，最获公认的现代宇宙理论。大爆炸宇宙论很好地解释了为什么会有宇宙，但还有一个问题不能解释，那就是宇宙为什么能存在？宇宙万物得以存在如果没有任何依据，难道不是一件不可思议的事情吗？因此我认为一定会存在一种与构成宇宙的要素属性相反，能相互抵销的要素。我们把构成宇宙一切物质和能量的要素称为原力，把我们所在的宇宙定义为正宇宙，那么与原力相反属性的反原力构成的宇宙就是反宇宙。原力是构成物质和能量的最基本单位，所以不管物质粒子结构多么复杂，原力却是最简单、最单纯的，它没有内部结构，因为如果有内部结构就不能算是基本单位了。因此既使最多量的原力都能集合于无限小的空间之内，是构成宇宙一切的唯一素材。值得一提的是，原力不是力，但宇宙一切运动因它而起，故称之原力。因此，我认为宇宙的本质是虚无的，可以用0=（+X+(-X表示，+X表示宇宙正原力总量，-X表示反宇宙反原力总量。正反原力在理论上可以抵销湮灭，正原力和反原力绝对一样多。其实古人们对于宇宙虚无本质早有论述，周易中说：“无极生太极，太极生两仪”，就是说虚无诞生无限多，无限多有

论述明物质与暗物质

论述明物质与暗物质论述明物质与暗物质物理学中将物质分为明物质与暗物质，其中明物质是人们能够观察到的物质，暗物质是人们不能利用、不能观察的物质，人们一定会问，既然是物质，为什么会存在人们观察不到的物质，会有暗物质存在，对暗物质说到底它是什么物质，它是由什么物质组成的，为什么不能让人们看到，暗物质存在到什么空间里了，如何才能找到暗物质，暗物质与明物质间能不能相互转化，如果能转化，能不能将明物质突然转化为暗物质，让人们看不到这个物体，或者是将暗物质突然转化为明物质，让人们看一看等等。如果有哪一位科学家能够将明物质突然转化为暗物质，让这种物质进入人们所说的“另一个空间”，或者是将暗物质突然转化为明物质，让这种物质从人们所说的“另一个空间”中回来，在这个世界上可真是一件新闻，随着人们科学技术的完善，这一天总会到来。对明物质与暗物质的认识，可以这样认为，明物质与暗物质都是由分子原子组成的，这一句话相信的人非常少，因为人们会提出这样的疑问，既然明物质与暗物质都是由分子原子组成的，为什么它们的物质特性会有这么大的差别，明物质可以被人们利用和观察，而暗物质却不能被人们利用和观察，是的，物质到底是明物质，还是暗物质，并不是取决于这种物质本身是由什么内容组成的，而是取决于物质与环境相互作用的光子信息能量，如果物质与环境相互作用光子信息能量，这种物质就能够被人们利用和观察，它就是明物质；如果这种物质不能与环境相互作用光子信息的能量，这种物质就是暗物质，所以说无论是暗物质还是明物质，都可以说成是由分子原子组成的，它是由于光子信息团构成的。人们又会问一个常规问题，在什么时候是明物质，在什么时候是暗物质，这里可以说是有长期暗物质，有短期暗物质，也可以说成是有绝对暗物质与相对暗物质，事实上绝对暗物质，或者说真正的暗物质是不存在的，绝大多数是相对暗物质。我们前面已经说过，物质是不是暗物质，是不是存在，并不是决定于它本身的构成，而是决定于它与环境相互作用光子信息的能量强度，如果它作用的光子信息能量强度比较大，达到人们观察利用的灵敏度，它就是明物质，相反，如果它与环境作用的光子信息能量强度特别小，达不到人们观察利用的灵敏度，它就是暗物质，所以如果环境中一个光子都没有，或者说环境中没有一个光子通过个区域，物质就是存在，物质也不能与环境作用光子信息，物质就不能表现自我，可以说物质就不能存在，物质就是暗物质

狄拉克对物理学的主要贡献

狄拉克对物理学的主要贡献周云波 (宝鸡文理学院物理系陕西宝鸡 721007) 摘要:论述了狄拉克在量子力学、量子电动力学、相对论性电子理论和反物质理论等四方面作出的贡献,以缅怀他光荣伟大的一生以及为科学而献身奋斗的高尚品德关键词:量子力学 ;哈密顿体系 ;玻色子 ; 费米子; 反物质理论 Dirac’s chief contribution in physics Zhou Y un-bo (Dept.Phys.,Baoji Coll. Arts & Sci.,Baoji 721007 Shaanxi China) Abstract:The contyibutions in the aspects of quantum mechantics 、quantum eletrodyramics、the electronic theory of the relativistic and antimatter theory are discussed,in orde to cherish the memory of his whole life with great honor and the noble morality of struggling for science heart and soul. Key words:quantum mechanics; system once of Hamilton ; boson ; fermion ; antimatter theory﹠ 保罗·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)现代著名的理论物理学家,1933年诺贝尔物理学奖获得者.1902年8月8日生于英国布列斯托尔城,1984年10月20日在美国佛罗里达州的达拉哈斯逝世[1]。狄拉克成名较早,青年时代即在物理学界崭露头角,早在他获得博士学位前后，即1926年，短短两三年，就对物理学作出了四大贡献。他从22岁发表第一篇论文到逝世整整60年,始终居于物理学发展的前列,他的成就几乎影响着现代物理学的所有领域,推动着物理学的不断迅速前进。狄拉克离开我们已经29个年头了,我们也跨入了21世纪.今天,我们重新论述他的主要贡献,以缅怀他光荣而伟大的一生,继承他为科学的发展而献身奋斗的高尚品德,纪念他为人类科学事业的发展所做出的辉煌成就。 1.量子力学的数学和理论的完美表述[2-4] 怀疑与求实是科学精神的精髓之所在，对陈旧过时的观念不可遏止的挑战冲动，是有创见科学家的必备气质，而狄拉克正具有这样的天赋气质。1925年7月28日,在剑桥卡皮察俱乐部第94次会议上,海森伯介绍了他的新力学.起初,狄拉克对此并没有留下深刻印象,但他后来阅读关于这一问题的论文时,他突然意识到,这一力学问题包含着打开原子世界秘密的钥匙,并随即把注意力集中到新力学理论中最关键的一点,即量子力学乘法的不可对易性上.他思考着,要把海伯森的力学纳入哈密顿体系,经过苦苦思索,他以惊人的数学简单地给出了量子泊松符号。把对易子与泊松括号连接起来的想法是狄拉克在量子力学工作上的出发点..他克服了横在玻恩、海森伯和约尔丹三人面前的巨大困难,一举完成了构造量子力学的数学形式体系的工作。海森伯把力学变量与矩阵相对应得出：对于两个变量p和q,顺序相乘得pq，与反序相乘得qp,且pq与qp不一样,即pq－qp≠0,这是很难使人理解的。因为按照牛顿定律来理解,力学变量的乘积是可以对易的.海森伯说他十分担心这个“不可对易性”问题可能成为他的矩阵量子力学的致命弱点。一个在当时已经相当有名气的科学家,提出了当时影响量子力学成败的关键问题,并且承认自己无法解决.狄拉克却以非凡的胆识,他用批判的眼光审视了海森伯的“不可对易”问题，他不受经典力学理论的束缚,抓住科学发现的机遇,寻根问底。10月的一个星期天,狄拉克独自到乡下散步,脑子一直在思考那个表示不可对易性的不等于零的对易子,他想到了泊松括号,它与对易子十分相似,只要在经典泊松括号前加上一个系数ih/2π,对易子就成了它的量子力学类比物。加于矩阵乘法的那些附加条件,可以写成pq－qp=(h/2π)﹒i这一精致的形式。这样以来便能为量子力学建立起一个简单的数学方程。它

暗物质暗能量的理论研究和实验预研

项目名称：暗物质暗能量的理论研究和实验预研首席科学家：吴岳良中国科学院理论物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院

一、研究内容拟解决的关键科学问题和主要研究内容包括：本项目围绕暗物质和暗能量本质开展理论研究和实验探测的可行性分析, 充分利用已有的研究基础，从以下五个方面开展深入系统的研究： 1、暗物质的理论研究及相关新物理唯象研究各种新物理模型，包括最小超对称模型及其变种和推广模型，额外维度模型，Little Higgs模型，各种类型的Hidden Sector模型，标准模型的最小推广（多个Higgs模型）中WIMP暗物质的湮灭及衰变过程的性质。在满足暗物质剩余丰度的条件下研究其湮灭或衰变产物，如正电子，反质子，高能中微子，光子的信号特点，为空间间接探测实验提供理论依据。同时重点关注未来实验可能观测到的高能中微子及光子信号。在对现有实验结果的研究中,由于PAMELA 没有观测到反质子的超出，这表明暗物质的主要湮灭道为带电轻子而非规范粒子或夸克，这就给一些暗物质模型如最小超对称模型带来了一定的困难。对此，需要对模型的参数空间进行更详细的研究。同时，也需进一步研究构造以轻子为主要湮灭道的理论模型。另一方面，为了解释PAMELA和ATIC上观测到的正负电子超出，暗物质在地球附近的密度分布要比通常由热力学残余丰度给出的大出2-3个数量级。如何构造模型能同时满足这两方面的要求是研究的重点之一，将首先研究已知的可能解释实验现象的一些机制，如量子索末菲效应和共振态增强效应等。寻找和发展更有效探测暗物质的方法。通过对自旋相关与自旋无关的散射截面确定暗物质的基本属性。研究DAMA实验的正结果和其它实验如CDMS和Xenon 给出的零结果是否一致及其它们的物理原因。鉴于DAMA的实验结果，探寻可能存在的统一解释目前所有直接探测实验结果的暗物质－核子相互作用机制。研究非弹性散射和测量仪器靶物质的相关性等。综合正负电子对撞机LEP上的Z产生和衰变，希格斯粒子质量限制，额外规范粒子的研究，及低能实验如μ子反常磁矩，b→sγ，B →μ+μ-和味道改变中 s

反物质发动机即将实现

反物质发动机即将实现 1.反物质发动机从理论反物质发动机从理论上提出了存在反物质的假说，认为存在和构成普通物质的基本粒子质量相等但电荷相反的基本粒子，并有由这样的基本粒子构成的反物质。4年后，这个假说就得到验证。反物质发动机一个好处是反物质的湮灭可以自发产生，不需要象核发动机中的核反应那样需要许多条件，所以就不需要很大的反应堆，可以减轻飞船重量。 1928年英国物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)首先从理论上提出了存在反物质的假说，认为存在和构成普通物质的基本粒子质量相等但电荷相反的基本粒子，并有由这样的基本粒子构成的反物质。仅仅4年后，这个假说就得到验证，加州理工的安德森(Carl David Anderson)发现了正电子，即电荷为正的电子的存在；1955年在美国伯

克利高能质子稳相加速器上，研究人员制造出了第一个反质子，即电荷为负的质子；欧洲原子核研究委员会的研究人员又制造出了第一个反原子，他们造出了9个反氢原子，存在了40纳秒(也称毫微秒)；到1998年他们一小时已经能生产2000个反氢原子了。现在，反物质正在医学领域发挥效用，用在正子放射断层扫描仪(PET scanner)中。不过制造反物质代价昂贵，在1999年如果想制造1克反物质的话，需要花费625实验证明需要说明的是，反物质的基本粒子不仅仅包括正电子和反质子，而是多种多样的，例如反μ介子、反π介子等等，它们是和对应的正基本粒子电荷相反的基本粒子，但它们的寿命太短暂，比如正反μ介子只能存在百万分之几秒钟，而正反π介子大约只能存在一亿分之二点五秒，寿命如此短暂的物质显然无法作为燃料。除了带电的之外，还有不带电的，如反中子、反中微子之类，以反中子为例，它虽然和普通中子一样近代对反物质的研究已从抽象话走向具体化(10张) 都不带电荷，但一个反中子经过β衰变后就变成一个反质子，而不是一个带正电的质子，我们可以据此区分它们，不过这样不带电的粒子以目前的手段无法有效储存(甚至更糟糕，以我们目前的手段都无法直接观测到它们，而是通过湮灭间接观测)，所以同样也不适合作为燃料。最后能够候选的还是反质子和反电子。由于反物质和物质如果相遇，

反粒子

反粒子摘要所有的粒子，都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数异号的粒子存在，称为该种粒子的反粒子。基本介绍 antiparticle在原子核以下层次的物质的单独形态以及轻子和光子，统称粒子。在历史上，有些粒子曾被称为基本粒子。所有的粒子，都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数异号的粒子存在，称为该种粒子的反粒子。除了某些中性玻色子外，粒子与反粒子是两种不同的粒子。一切粒子均有其相应的反粒子，如电子e-的反粒子是正电子e+，质子p的反粒子是反质子，中子n的反粒子是反中子，1959年王淦昌领导的小组发现的反西格码负超子是Σ-的反粒子。有些粒子的反粒子就是它自己。如γ光子、π0介子和η介子。一些中性玻色子如光子、π0介子等，其反粒子就是它们自己。迄今，已经发现了几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子。如果反粒子按照通常粒子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。发现过程反粒子最早是1928年P.A.M.狄拉克理论上预言正电子而提出的，1932年被C.D.安德森实验发现而证实；1956年美国物理学家张伯伦在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质子，他用玻璃管中的被粒子加速器加速过的高能粒子对相撞，发现在突然间成对出现了几道轨迹，又在短时间内相撞而互相泯灭，这是人们第一次直接观测到反粒子。进一步的研究发现，狄拉克的空穴理论对玻色子不适用，因而不能解释所有的粒子和反粒子。根据量子场论，粒子被看作是场的激发态，而反粒子就是这种激发态对应的复共轭激发态。正反粒子是从场论的观点来认识的，场的激发态表现为粒子，与之对应，场的复共轭激发态表现为反粒子。当γ光子的能量大于某种粒子静能的两倍，在一定的条件下就可以产生正反粒子对；反之，正反粒子相遇可湮灭并产生两个光子或 3 个光子，遵从质量-能量守恒和动量守恒。

直接探测暗物质

直接探测暗物质马欣华一、为什么相信有暗物质存在？ “暗物质”这个名字听起来有些神秘（其实还有听起来更神秘的“暗能量”，这超出了本文的范围。暗物质、暗能量并称为漂浮在当代物理学及天文学上空的两朵乌云）。从字面上来看，和暗物质对应的应该是“明物质”吧。虽然还没有人这么叫，但是其实“明物质”是对已知物质形态的一个很简单明了的形容，因为已知物质是由已知的基本粒子——夸克、轻子及其相互作用媒介子（包括光子、胶子、Z 0、W±以及尚未发现的引力子）——所构成的，这些基本粒子参与（或部分参与）四大相互作用——万有引力作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用，比如能发光或者发电，或者作用、衰变后的次级粒子能发光发电。光、电即电磁波和电流，实际是从宏观角度上说的，现代的探测器归根到底都是测光信号、电信号以及信号组成的径迹。这样，这些物质就都在“明”处了，即人们能在实验室里用探测器（当然是由“明物质”构成的）探测到其存在或者曾经存在，这就是现代物理学的实验基石。大家可以想出一些例子，比如居里夫妇发现放射性元素，卢瑟福测出原子结构，LEP精确测量Z0、W±质量等。而暗物质不同，它不是在实验室里对微观世界进行研究时产生的概念，而是来自于天文学观测这一宏观领域，由兹维基（F. Zwicky）早在70多年前就提出了。这似乎又回到了牛顿时代，牛顿正是从前人对太阳系活动的观测结果中发现万有引力定律的。出个最基本的大学普通物理习题吧（做个积分马上见分晓）：在万有引力作用下，如果星系的质量大部分都集中在星系中心，那么一颗位于星系中心以外的恒星绕中心旋转的速度随恒星到中心的距离如何变化（所谓旋转曲线）？而如果星系的质量分散在整个星系，换句话说，这颗恒星穿行在一个质量球中，那么速度和距离的关系又是怎样呢？对恒星速度的观测表明，星系的质量并不集中在星系中心这一星系中最亮的、也就是说恒星最多的地方，而是分散在整个星系晕中，这就说明了星系中大部分质量是“暗”的。还不仅仅是这一个证据，对星系、星系团、引力透镜、宇宙大尺度结构的观测结果都表明，宇宙中大部分物质是暗物质。（不过还有另外的一个思路来解释这些天文现象，就是修改引力理论，即MOND，本文暂不涉及这方面。）天文观测表明，暗物质有质量，至少参与引力相互作用，不参与电磁作用和强相互作用，可能有弱的相互作用（与四大相互作用中的弱相互作用并不相同），而且暗物质不是重子物质。到目前为止，人们所了解的暗物质的性能特点就这些了，而且暗物质参与的作用如此之弱以至于很难观测到，这就给予理论以弹性很大的想象与发挥空间。理论预言的暗物质粒子类型让人眼花缭乱，不仅质量可轻可重，而且还可热可温可冷，即运动速度可以是相对论的、近相对论的或者非相对论的。热暗物质的候选者是中微子；温暗物质的候选者是sterile neu-trinos、gravitinos和axino；冷暗物质的候选者是超对称模型预言的neutralino、轴子、类轴子粒子。二、怎样才能捉到暗物质？既然暗物质粒子作用如此之弱，那么还有可能抓到它吗？物理学家的信念是：暗物质粒子肯定不是孤家寡人，而是一定会和周围已知粒子发生作用，并且暗物质粒子的存在能够在已知粒子的存在、变化形态上反映出来，作用再弱也一定能够被观测到。更进一步的，物理学家相信可以用费曼图描述相互作用，如图1所示，暗物质粒子可以和已知粒子产生未知的相互作用，三个箭头代表三种可能的反应过程： 1. 两个已知粒子碰撞产生两个暗物质粒子（向左箭头）。这可以在对撞机实验上产生。目前全世界最大的对撞机LHC的一个重要物理目标就是希望在高能质子对撞产生的次级粒子中找到暗物质。 2. 两个暗物质粒子湮灭产生两个已知粒子，比如γ、正电子、反质子（向右箭头）。高空气球实验、卫星实验对各种宇宙线成分的能谱进行观测，查看是否有无法解释的对本底的超出，这种观测方式被称为暗物质的间接探测。 ·30 ·现代物理知识