APP 1979年10月30日，美國(guó)科學(xué)家利用高空氣球，測(cè)出了宇宙空間的反物質(zhì)流。氣球在高空中飛行了8個(gè)小時(shí)，它的探測(cè)器的磁場(chǎng)最終測(cè)獲了28個(gè)反質(zhì)子。這是人類在地球上的實(shí)驗(yàn)室以外第一次發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。
1克反物質(zhì)能產(chǎn)生相當(dāng)于核爆的爆炸規(guī)模，比原子彈、氫彈更強(qiáng)大?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)宇宙起源的研究將產(chǎn)生重要影響，也為原子能核物理研究奠定了一個(gè)全新的方向——高能物理。
保羅·狄拉克
◆反物質(zhì)是否真的存在？
世界是由物質(zhì)組成的，很早之前，科學(xué)家就提出了“反物質(zhì)”的概念，對(duì)傳統(tǒng)觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)。那么，反物質(zhì)究竟是什么？宇宙中是否真的存在反物質(zhì)？
根據(jù)大爆炸理論和粒子物理理論，宇宙起源于大約137億年前的一次大爆炸。在宇宙誕生之初，能量轉(zhuǎn)化為同樣多的正物質(zhì)與反物質(zhì)，這兩種物質(zhì)相遇會(huì)發(fā)生劇烈爆炸，轉(zhuǎn)化為能量，并歸于湮滅?？墒悄壳坝钪嬷械奶祗w均為正物質(zhì)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)天體。為什么現(xiàn)在的宇宙間充滿了正物質(zhì)而非反物質(zhì)呢？這是物理學(xué)領(lǐng)域最大的謎團(tuán)之一。
反物質(zhì)和物質(zhì)是相對(duì)立的，它們是兩個(gè)不同的概念。眾所周知，物質(zhì)構(gòu)成了世界，而原子構(gòu)成了物質(zhì)，原子核位于原子的中心。原子核由質(zhì)子和中子組成，帶負(fù)電荷的電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。原子核里的質(zhì)子帶正電荷，電子與質(zhì)子所攜帶的電量相等，但一正一負(fù)。質(zhì)子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的1840倍，它們?cè)谫|(zhì)量上形成了強(qiáng)烈的不對(duì)稱性，這引起了科學(xué)家的關(guān)注。因此，有一些科學(xué)家在20世紀(jì)初就認(rèn)為二者相差懸殊，因而應(yīng)該存在另外一種電量相等而符號(hào)相反的粒子，如存在一個(gè)同質(zhì)子質(zhì)量相等但攜帶負(fù)電荷的粒子，和另一個(gè)同電子質(zhì)量相等但攜帶正電荷的粒子——這就是“反物質(zhì)”概念的最初觀點(diǎn)。
歐洲核子研究中心
◆反物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的科學(xué)歷程
反物質(zhì)概念是英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克最早提出的。他在1928年預(yù)言，每一種粒子都應(yīng)該有一個(gè)與之相對(duì)的反粒子。他提出了一個(gè)描述電子運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方程式，即狄拉克方程。這是一個(gè)既具有量子力學(xué)特征，又滿足狹義相對(duì)論要求的方程。在方程中，和電子共同存在的還有另一種粒子，它并不是傳統(tǒng)帶負(fù)電荷的電子，而是奇怪的帶著正電荷的電子——也就是電子的反粒子。
1931年，狄拉克還進(jìn)一步提出質(zhì)子及其他粒子也應(yīng)該有相應(yīng)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組成的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是反物質(zhì)。這是人類第一次意識(shí)到可能存在反物質(zhì)。
此后，歐洲航天局的伽馬射線天文觀測(cè)臺(tái)證實(shí)了宇宙間反物質(zhì)的存在。他們對(duì)宇宙中央的一個(gè)區(qū)域進(jìn)行了認(rèn)真的觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域聚集著大量的反物質(zhì)。此外，伽馬射線天文觀測(cè)臺(tái)還證明，這些反物質(zhì)來(lái)源很多，它不是聚集在某個(gè)確定的點(diǎn)周圍，而是廣布于宇宙空間。
1995年歐洲核子研究中心的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中制造出了世界上第一批反物質(zhì)--反氫原子；1996年，美國(guó)費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室成功制造出7個(gè)反氫原子；1997年4月，美國(guó)天文學(xué)家宣布利用伽馬射線探測(cè)衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，在銀河系上方約3500光年處有一個(gè)不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源，它噴射出的反物質(zhì)形成了一個(gè)高達(dá)2940光年的“反物質(zhì)噴泉”；2000年9月18日，歐洲核子研究中心宣布他們已經(jīng)成功制造出約5萬(wàn)個(gè)低能狀態(tài)的反氫原子，這是人類首次在實(shí)驗(yàn)室條件下制造出大批量的反物質(zhì)。
反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)對(duì)研究宇宙起源將發(fā)生重要影響
◆首個(gè)發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的中國(guó)科學(xué)家
提起反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)者，不得不提到一位中國(guó)核物理學(xué)家，他就是世界第一個(gè)發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的科學(xué)家、我國(guó)核物理先驅(qū)、我國(guó)加速器建造事業(yè)的開(kāi)拓者--趙忠堯。
1927年，趙忠堯赴美國(guó)加州理工學(xué)院學(xué)習(xí)。幾年學(xué)習(xí)讓他在理論物理方面突飛猛進(jìn)，在讀博期間，趙忠堯選擇了極難的課題--《硬γ射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)的吸收系數(shù)》。令所有人沒(méi)想到的是，正是這個(gè)題目，讓趙忠堯找到了一個(gè)物理學(xué)的偉大發(fā)現(xiàn)--反物質(zhì)。
1930年5月，美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院報(bào)》正式發(fā)表了趙忠堯的論文--《硬γ射線吸收系數(shù)測(cè)量》。這篇論文首先向世界宣布，硬γ射線通過(guò)不同物質(zhì)的吸收系數(shù)是有很大差異的，通過(guò)輕元素時(shí)的吸收系數(shù)較小，符合克萊因－仁科公式，而通過(guò)重元素時(shí)，吸收系數(shù)比克萊因－仁科公式計(jì)算結(jié)果高得多。
論文一發(fā)表，就引起了世界核物理科學(xué)家們的注意，隨后有幾個(gè)單位也紛紛開(kāi)始了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，得出了同樣的結(jié)論。光這一重要發(fā)現(xiàn)，趙忠堯就足以獲得博士學(xué)位。但他并沒(méi)有停止研究的步伐，因?yàn)檫@一實(shí)驗(yàn)結(jié)果意味著，γ射線通過(guò)重物質(zhì)時(shí)，有可能存在一種沒(méi)被人們發(fā)現(xiàn)的新物質(zhì)。
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的艱苦實(shí)驗(yàn)，在1930年9月，趙忠堯最終發(fā)現(xiàn)：伴隨著硬γ射線在重元素中的反常吸收，還存在一種從未見(jiàn)過(guò)的特殊輻射現(xiàn)象，這種輻射非常弱，要把它與很強(qiáng)的康普頓散射本底分開(kāi)非常困難。趙忠堯還進(jìn)一步測(cè)得，這種特殊輻射的能量為0.5兆電子伏，大約等于一個(gè)電子的質(zhì)量，輻射角的分布大致為各向同性。這種物質(zhì)即后來(lái)科學(xué)家定義的反物質(zhì)——正電子。
我國(guó)核物理先驅(qū)趙忠堯
與此同時(shí)，趙忠堯在加州理工學(xué)院的同學(xué)菲利浦·安德森對(duì)趙忠堯的科學(xué)研究深深著迷，意識(shí)到這可能將是人類物理研究史上的一次偉大發(fā)現(xiàn)，于是安德森在趙忠堯?qū)嶒?yàn)室的隔壁開(kāi)始了同樣的研究。1932年，安德森在宇宙線的云霧室照片上，觀察到了正電子的徑跡。此后，人們對(duì)反常吸收的特殊輻射才有了新的認(rèn)識(shí)。安德森的這一發(fā)現(xiàn)，比趙忠堯晚了兩年時(shí)間。
1936年，瑞典皇家科學(xué)院決定對(duì)發(fā)現(xiàn)正電子這項(xiàng)舉世矚目的研究成果授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但是，評(píng)獎(jiǎng)揭曉時(shí)，獲獎(jiǎng)?wù)叩拿麊沃袥](méi)有1930年首先發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子湮沒(méi)的趙忠堯的名字，只有1932年在云室中觀測(cè)到正電子徑跡的安德森。
對(duì)于這一歷史謎案，后來(lái)諾貝爾物理獎(jiǎng)委員會(huì)主任?？怂古钤忉尩?，當(dāng)時(shí)評(píng)選諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，曾經(jīng)安排人對(duì)趙忠堯的研究進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果因?yàn)榉椒ㄥe(cuò)誤和設(shè)備失靈導(dǎo)致沒(méi)能得出趙忠堯所做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，最后與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂。雖然沒(méi)能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但趙忠堯?qū)κ澜缥锢韺W(xué)界和中國(guó)核物理發(fā)展的貢獻(xiàn)都無(wú)法被抹去。
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