反物质和暗能量

第三节　反物质和暗能量

一、反 物 质

中国古代的《易经》把世界的形成归结为“阴阳”，认为阴阳二气演化并操纵着世间万物。这个远古的理论代表了中国古代哲学的核心思想，与当今的粒子物理研究颇为契合，如果我们把物质看作“阳”的话，那么反物质就可以称作“阴”了。

物质和反物质犹如《易经》中的阳和阴

1928年，英国物理学家狄拉克提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。根据这个方程，狄拉克从理论上预言，宇宙里应该存在带正电的电子，也就是所谓的正电子。4年之后，美国科学家安德森果真在实验室中发现了这种特殊的粒子。与司空见惯的电子相比，这种粒子的质量和带电量完全相同，只是它带的是正电，而电子带的是负电。

正电子的发现，激发了科学家探索反物质世界的热情。1955年，反质子在美国的一家实验室中被发现。到20世纪60年代，基本粒子中的反粒子差不多全被找到了。

在反物质世界的成员被“抓捕归案”后，人们面对宇宙，却产生了困惑：为什么宇宙中正物质占统治地位，而反物质却少得可怜呢？根据大爆炸理论，宇宙诞生之初，应该产生出同等量的粒子和反粒子、正物质和反物质，可是为什么我们却找不到大量的反物质呢？

为了解释反物质稀缺之谜，科学家提出了以下假说。

当一个粒子与它的反粒子相遇时，就会发生湮灭，在相互湮灭的过程中，正负电荷抵消了，不过并不是说两个粒子就会“同归于尽”，什么也不留下。粒子和反粒子具有相同的质量，根据质量守恒定律，这两份质量是不会因为发生湮灭而消失的。不过，质量其实是能量的一种形式，在湮灭的过程中，它是可以改变自己的表现形式的。

正物质与反物质“不共戴天”，因此假如有反物质穿越宇宙空间来拜访我们的地球，会发生什么事情呢？

显然，地球是正物质，我们人类也一样，都是正物质。那月亮呢？既然美国“阿波罗号”宇宙飞船上的航天员能够登上月球而安然无恙，那么月球也是由正物质组成的。太阳虽然让人畏惧，无法登陆，但是它会利用太阳风影响周围的空间，向外散射一些带电粒子流。太阳风显然是正物质组成的，否则我们的地球就会被它侵蚀掉。可以这样说，太阳系是由正物质统治的。

反物质穿越太阳系，几乎不可避免地要遭遇到正物质的“热烈拥抱”。于是，这个反物质将改变自己的性质，很可能变成不带电荷的粒子，或者成为一缕射线，这都是我们人类可以观察到的形式。可是，我们怎么知道这些粒子或射线的前身是天外来客——反物质呢？

一些人认为，反物质是存在的，反物质形成的星系也该存在，只是对我们来说，实在是难以观察。它们也许躲避在遥远的宇宙深处，偶尔派遣来的“观光团”在路途中就遭遇了湮灭。目前认为，宇宙中主要的质量其实是暗物质和暗能量，而由反物质所组成的暗物质和暗能量，也不是不可能。但这些物质都是我们目前无法直接观察到的，说不定它们躲在宇宙深处，自己组成了反物质的乐园。

反物质模拟图

1933年，预言了反粒子的狄拉克在诺贝尔奖颁奖仪式上发表的演说中称，他相信存在一个反物质构成的宇宙。之后，一些物理学家提出了“反物质宇宙模型”学说，他们认为原始宇宙由一半正物质和一半反物质构成，随着宇宙的膨胀，宇宙中的正、反物质彼此分开并各自聚集为以正物质为主和以反物质为主的团块；在正、反物质交界处，由于正、反物质湮灭而产生巨大辐射压，从而把正物质区域与反物质区域分隔开来，形成了彼此孤立的宇宙，两个宇宙被“宇宙地平线”分隔开，因而不能相互观测到。

持这个观点的人认为，我们不用担心将来有一天反物质会袭击我们的星系，因为它们根本就不和我们处于同一个宇宙中！

据此有人猜测，像我们安心地生活在正物质宇宙中一样，很可能也有人居住在反物质宇宙中，他们自身由反物质组成，如反质子、反中子、正电子等，他们周围的世界，是由反物质统治的，只有极少的正物质存在。不过，他们是不会把自己定义为“反人类”的，在他们看来，我们的宇宙才是反的，而他们的是正的。

二、暗物质与暗能量

星际空间，顾名思义，就是指星体与星体之间的空间。星际空间是什么样子的？是真空的还是有物质存在的？在如此广袤的星际空间里，除了可以看得见的各种星系外，真的没有别的物质存在吗？如果有又是什么样的物质呢？

人们在观测星光时发现，星光在穿过星际空间后亮度大大减弱。这一现象表明，星际空间并不是绝对的真空，星际空间里同样有物质存在。据观测，星际物质中近90%是氢，另有10%是氦，尘埃中有水和甲烷的结晶，以及二氧化硅、二氧化碳、铁、镁等物质。星际空间里的物质极其稀薄，平均每立方厘米的空间内仅有0．1～1个原子。

最新的天文观测和膨胀宇宙论的研究表明，宇宙的密度可能由约70%的暗能量、5%的发光物体和不发光物体、20%的冷暗物质和5%的热暗物质组成。即宇宙中有近90%是暗物质，其中冷暗物质——被称做可能是宇宙早期遗留至今的一种看不见的弱相互作用的重粒子，是支持膨胀宇宙论的关键。

暗物质三维数字地图

约200年前，很多人还认为星际空间是一无所有的真空。到了20世纪后，天文学家才发现有不少迹象表明星际空间存在物质。为了解释为什么没有在宇宙空间发现反物质的现象，有一部分天文学家认为，由于反物质内在的不稳定，自从宇宙创始到现在，反物质已经衰变殆尽。然而1979年，美国科学家利用高空气球测出了星际空间中的反物质流。这次重大发现否定了这种解释，它证明了作为反物质的主要形式的反质子是稳定的，并可以存在千百万年，在宇宙创始时曾形成数量相等的物质和反物质。

以太阳系为例，八大行星加上可能存在的彗星，其总质量还不到太阳的1%，这涉及天体或星系团演化的基本规律。更为重要的问题是宇宙中除质子、中子、电子等会发光的物质以外，是否还存在着原本就不会发光，而且也不会反射、折射或散射光的物质，即对各种波长的光，它们都是百分之百的透明体。答案是肯定的，这些所谓的透明体就是神秘的暗物质，至于它们在宇宙中占有多少比重，目前尚无定论。

暗物质究竟是什么样的一种物质呢？如果假设暗物质是一种相互作用的亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构就与科学家观测的结果相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和目前的观测结果之间存在着差异，但同时这也为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。科学家们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，这为研究暗物质的本质带来了希望。

人类在几十年前第一次发现了暗物质存在的证据。瑞士天文学家扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，星系团要想束缚住这些星系，它们的质量必须达到根据其恒星数量计算所得到的值的100倍以上。此后的观测分析证实了这种说法。虽然我们对暗物质的本性仍然一无所知，但是到了20世纪80年代，人们已经广泛接受了暗物质约占宇宙能量密度20%的观点。

宇宙学家们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。在引入宇宙膨胀理论之后，许多科学家相信宇宙是平直的，宇宙总能量密度也必定是等于用于区分宇宙是封闭的还是开放的临界值。但事实上，观测从来就没有与此假设相符合过。这一观测和理论模型之间的不一致性随着时间的推移变得越来越明显。同时，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。

暗能量模型

暗能量可以解释观测到的物质密度和由膨胀理论预言的临界密度之间70%～80%的差异，还可以解决没有足够的物质来解释宇宙的结构及特性问题。通过对超新星的观测，两个独立的天文学研究小组吃惊地发现，宇宙正在以不断增长的速度扩张着。因为，此前大多数的科学家都认为宇宙的扩张正在减慢。

美国国家航空航天局发射的“威尔金森”微波各向异性探测器所进行的关于宇宙微波背景辐射各向异性的观测也证实了暗能量的存在，并且使它成为了宇宙标准模型的一部分。暗能量占主导的宇宙模型便成为了一个和谐的宇宙模型。

如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也更谈不上有今天的人类了，正是暗物质促成了宇宙结构的形成。现在我们所处宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正使宇宙处于加速碰撞中。如果暗能量不会随时间衰减或者改变状态，这种加速膨胀态势将持续下去，宇宙就会一直膨胀直至毁灭。

如果我们不了解暗物质的性质，就不能说已经了解了整个宇宙。目前，人类已经发现了两种暗物质——中微子和黑洞，但是这两者只占暗物质总量极小的一部分，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。就我们现在的科技水平，还无法完成在星际空间中长距离的空间远行，这使得我们对星际空间的研究受到很大的限制。要想知道星际空间中还存在哪些物质，还需要进行不懈的研究。