物质和反物质

时间:2023-11-25 03:49:01

在原子内部,存在旋转的电流、强力磁场以及电力,这些作用综合起来会吸引一些东西同时排斥另一些东西。在反物质内部的原子中,这些电流、磁场和电力依然存在,但是它们的极性发生了翻转:北极变成了南极;正电荷变成了负电荷。想象将我们的句号和反句号放大到100米的尺度,此时我们可以看到其中单独的原子和反原子。将一块微型磁铁朝原子的外部轻轻地推进,并同时对反原子进行相同的步骤,看看都会发生什么。对于其中一个发生的情况,如略微向左的弯曲,在另一种情况下就变成了略微向右的镜像曲线;前一个若是受到推力,后一个则受到拉力;前一个是被排斥,后一个则是被吸引;前一个是安全的,而后一个则面临湮灭。

这些力量的源头是带电的原子核。就像磁铁拥有南北极,使得它可以吸引或者排斥其他物体;电荷也会同性相斥异性相吸。在普通物质内部,原子核都带正电;而原子外围的小型轻质的电子带负电。氢是最简单的元素,一个氢原子含有一个电子,这个电子远离中心原子核并绕着它飞行,而原子核内还包含着一个质子。

正是异性电荷之间的相互吸引,才使得带负电的电子围绕着遥远的中心带正电的原子核旋转。得益于原子内部深处的这些电磁力以及它们向外的延伸,分子和宏观结构才能够组织起来并相互支持——比如晶体、生物组织、岩石以及生物等。

万有引力控制着星系和星球的构成与轨迹,它使得苹果落地,使得人类可以在地球上立足。然而电磁力却赋予了我们形态和结构。虽然电磁力比万有引力强得多,但在大块的物质内部正负电荷的吸引力和排斥力趋于平衡抵消,而万有引力只相互吸引,所以后者就占了上风。故而,虽然我们体内原子深处存在着强烈的电力,但我们几乎感觉不到它们的存在,并且我们自身也不带电。

然而有很多迹象都在显示这些内部结构的存在,当内部的正负电荷没有精确抵消时就会更加明显地显露出来。电荷不平衡的结构会导致电火花,比如闪电内部;磁铁会吸引一块金属,克服下方整个地球的引力把金属提起来。从更大的尺度上来说,地球内核里的旋转电荷将整个地球变成了一个大磁铁,当我们将一个小的指南针放在地磁场中时就会发现它会指向地磁的南极和北极,这也揭示了地球内部结构的存在。

以上就是1928年当人类最初开始研究反物质时所知道的一切。根据狄拉克(Paul Dirac)、安德森(Carl Anderson)、米利肯(Robert Millikan)的理解,原子们正是反物质的传奇舞台上的主角,其包含有由大量质子构成的致密簇团,其中的正电荷能吸引带负电荷的轻质电子在其远处旋转。 在理解了这些知识之后,我们就可以开始领会反物质的概念了。

大块物质的存在,其中蕴含着诸多电磁法则,这些法则可不管物质的哪块带正电哪块带负电。如果在某种情况下,我们将正变成负、负变成正,结果导致的力是不变的,而这些力形成的结构也不变。假想一下,所有的带负电的电子都变成带正电;而作为补偿,所有的质子都带负电,那么原子的外貌不会发生任何变化。

这种电荷的交换就会将我们所知道的物质变成所谓的反物质。反氢的一个反原子会包含一个负的“反质子”,而其外围旋转着一个带正电的“正电子”。狄拉克是首位预言这种物质的镜像存在的科学家,他在获得1933年的诺贝尔奖时曾对这个谜进行了总结:

我们必须注意到,地球(以及可能整个太阳系)主要含有负电子和正质子这件事稍微有点偶然。对于其他一些星球而言,很有可能处于另一种情况:这些星球构成的主要成分是“带正电的电子”和“带负电的质子”。

在强大的科学预感以及对正负之间深层次对称的完全理解的基础上,他认为半数的星球处于一种状态;而另一半处于另一种状态。这就是我们今天所谓的物质和反物质,但是当今天我们仰望夜空观察那些星球时,暂时还没有办法分辨哪些处于哪种状态。