粒子就是正粒子,是我们身边最熟悉的一切
粒子还可称为“正粒子”,也就是我们接触最多的,是构成我们身边万事万物的基本微粒。而与正粒子质量相同,电性、磁矩相反的粒子称“反粒子”。从电子、夸克、交换能量的玻色子、中微子等基本粒子,再到夸克组成的复合粒子质子、中子、大多数介子,最后到原子,几乎任何粒子都有反粒子。只有光子和中性π0介子没有反粒子,其反粒子就是它们自己。
比如带负电荷的电子是正粒子,就是我们常说的电子,记作e-(-表示带负电荷);而带正电荷的电子就是反电子,记作e+(+表示带正电荷),反电子与电子的电荷、自旋方向等基本参数相反,符合宇称守恒就是镜像对称的意思,反粒子近乎于粒子在镜子中的投影。
原子和反原子就像镜子中的双胞胎
正粒子即粒子,构成了我们身边的一切可见物质,这个概念自然不必过多解释;反粒子则构成了反物质,我们不能直接观察到反物质。正粒子和反粒子统称为实粒子,与之对应的就是后面将讲到的虚粒子。
反物质或反粒子一般只能通过实验获得,大致有两种方法,一是用粒子加速器高能粒子轰击,比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机,可以在高能撞击中产生反质子和反氢等反物质粒子。二是通过宇宙射线获取反物质,宇宙射线是从宇宙中高速飞来的粒子,它们可以与地球大气层中的原子相互作用,产生反物质粒子。
中间蓝色的就是地球,范艾伦辐射带像蝴蝶,其中有反物质
我们使用卫星来探测宇宙射线,并寻找反物质粒子的存在,距离我们较近的反物质密集区域是范艾伦辐射带,以下内容来自百度百科:范艾伦辐射带是环绕地球的高能粒子辐射带,由美国科学家詹姆斯·范艾伦于1958年发现的辐射带分为两层,内层距地表约7000公里,外层约为13000公里。范艾伦带粒子的主要来源是被地球磁场俘获之太阳风粒子,这些带电粒子在范艾伦带两转折点间来回。科学家通过探测器探测到反质子聚集区,发现该区域存在反质子带。这些反质子被困在磁场带中,直到它们遭遇正常粒子并发生湮灭反应而消失。当太阳发生磁暴时,地球磁力线受扰动变形,高能带电粒子大量泄出,并随磁力线于地球的极区进入大气层,激发空气分子产生美丽的极光。
通过上面的内容可以知道,反粒子都是确实存在的 “实粒子”。当相应的正反粒子接触时,将湮灭成两个光子。反过来,两个光子相撞时也会生成一对正反粒子。举几个例子,比如:
1- 质子和中子内的强核力作用时,正、反夸克相遇时可以湮灭并生成光子。
2- 由正反夸克组成的正反介子,π+和π-相遇时可以湮灭并生成光子。
3- 传递弱核作用的正反玻色子,W+和W-相遇时可以湮灭并生成光子。
4- 正反电子、质子、中子相遇时可以湮灭并生成光子和中微子或反光微子。
5- 上面1~4项是可逆的,即在外部能量作用下,光子和中微子这些轻子可以又转化为正—反粒子对。
看到这里,可能有人会说,量子的世界真是“混乱”,说的有道理,不过混乱中还是存在“秩序”的,秩序就是反粒子不能长时间稳定的存在。在没有高能量的规范场内,这些反粒子存在的时间非常短暂,基本上以纳秒(一纳秒为十亿分之一秒)来衡量。因为我们生活的世界充满了正粒子,反粒子想不与它们相遇都是很困难的事,虽然短暂,但是它们确实在我们身边存在过。而我们开始提到的地球磁场中范艾伦辐射带,在大气层上方离我们较远一些,那里正粒子数量相对较少,所以反粒子和反物质就能稳定的存在。
宇宙中的虚粒子
相对确实存在的粒子和反粒子(二者统称为实粒子),虚粒子的定义存在争议,目前主流观点如下,以下对虚粒子的解释摘自百度百科和搜狗百科:虚粒子指在量子力学中确实存在并具有可测量效应的粒子,被认为一种不能直接检测到的粒子。虚粒子可以用来描述承载力的粒子,包括引力子、胶子、虚光子和玻色子。虚粒子是虚构粒子、假想粒子,是在量子场论的数学计算中建立的一种解释性概念,指代用来描述亚原子过程例如撞击过程中粒子的数学项。
按照现有多数科学观点,W/Z玻色子已经通过实验被发现,就应该算作实粒子,可从虚粒子的行列中剔除此项,由此可见虚粒子和实粒子在概念上没有严格的界限之分,最大的区别在于我们是否能够观察到它。而虚光子、引力子和胶子目前都是理论上的存在,从未通过实验观测到,所以只好继续充当虚粒子的角色。
爱因斯坦质能方程和海森堡测不准不等式
虚粒子不必具有和对应实粒子相等的质量,这是因为它存在时间非常短暂,根据海森堡不确定性原理和相对论质能方程,它在能量守恒的情况下质量是可以变化的。虚粒子存在时间越久,它表现出的特征就越接近实粒子,因为我们就有可能观察到它。
这里将重点讨论虚光子,在量子电动力学中,电磁力的传递是通过交换虚光子进行的,这种交换可以有很多种不同的方式。比如两个电子之间最简单的传递方式是:第一个电子放出虚光子被第二个吸收;第二个电子收到虚光子后也放出一个虚光子被第一个电子吸收,如此继续下去。这种方式类似于踢足球,两个电子就是球员,虚光子就是那个“可怜”的足球,被电子踢来踢去,每次球员踢球时都要耗费能量将其传递给足球,足球获得了速度就携带着能量;而接球的球员又被足球能量所冲击,又需要消耗能量去停球;因此完全不必担心这种方式的传球会成为“永动机”,将球员和足球的能量一直增加下去。
稍微复杂一点的两个电子交换虚光子过程是:一个电子发射出一个虚光子后,那虚光子又可以变成一对电子和反电子,这个正反电子对可以随后一起湮灭为虚光子,也可以由其中的那个反电子与原先的一个电子一起湮灭,使得结果看起来像是原先的电子运动到了新产生的那个电子的位置;更复杂的,产生出来的正反电子对还可以进一步发射虚光子,虚光子可以在变成正反电子对……而所有这些复杂的过程,最终表现为两个电子之间的相互作用---产生电磁场和电磁力。
上述过程听起来像绕口令直接让人蒙圈,不如这样,把两个电子想象成公司和家,你每天拿着一个手电筒离开家去公司上去班,但是手电筒接触不太好时亮时不亮,手电筒亮的情况下代表生成了虚光子,不亮则代表生成了正反电子。如果你家离公司只有100米,运气好手电筒一直亮着一直到单位;如果家离公司1公里远,手电筒会亮一下灭一下,这个过程有1万次,就是虚光子和正反电子来回转化;如果家离公式10公里远,手电筒时亮时灭循环10万次。不论以上哪种情况,因为你上班的时间是早上八点,太阳光较强而电筒的光很弱,而且电筒亮和灭的频率切换较快,所以你根本感觉不到手电筒亮没亮。同样的道理,虚光子运动的速度就是光速,它和正反电子的转换速度也应为光速;而且根据量子物理的测不准原理,即动量越大位置越不精确,所以我们用最先进的仪器一直也检测不到虚光子。
量子电动力学费曼图演示虚光子传递能量的过程
上述电荷的作用过程可以简单的表达为:
第一个电子→2γ→(e-)+(e+)→2γ→(e-)+(e+)……→2γ→第二个电子
其中γ为虚光子,e-为电子(即正电子),e+为反电子。那么根据上面描述得出以下推论:
1- 量子电动力学中,虚光子和正反电子对都是电磁相互作用的中间产物,虚光子是不能观察到的假想粒子,就是为了平衡方程的数学常数项,像一个筹码一样被来回交换,但是这个筹码最终会消失并以能量的形式赋予实粒子。换句话说,在“电子-反电子”碰撞中,产生的光子是虚光子,必然会在短时间内“归还”能量,再次分裂成“电子-反电子”对。上述过程是根据相对论质能转换公式推导出来的,并不是我们实际观察到的现象。
2- 而在量子色动力学中,胶子是传递强相互作用的粒子,具体过程就更复杂了,略过不谈,直接上结论。由于夸克之间色禁闭的原因,实验室中一直无法观察到胶子,因此胶子一直被认为是虚粒子。
3- 在量子电弱理论中,W+、W-、Z玻色子是传递弱相互作用的粒子,一度也被认为是虚粒子。因为上述玻色子已经全部通过实验观察到了,因此W+、W-、Z玻色子已经升格为实粒子了。
根据以上3点,可近似的将虚粒子理解为数学中的虚数i,平方运算时i^2=1成为实数,说明虚粒子和实粒子是可以转换的。那么虚粒子准确定义是:各类规范场中传递能量的且暂时无法观察到的中间玻色子,一旦被证实存在它就可能是实粒子。
黑洞
但是在茫茫的宇宙空间内,这就是另外一回事啦。比较新的理论认为,虚粒子也是分为正虚粒子和反虚粒子,它们统称为虚粒子对。以下是霍金黑洞辐射理论:根据量子理论,空间中并不是完全空的,而是有一定的量子起伏,这样就会有一对对的正反粒子自动产生。但绝大多数情况下这对粒子刚一产生,就又相碰湮灭了,它们无法被仪器探测到,好像从未存在过一样,这种粒子便称为“虚粒子”。但在特殊环境下,如黑洞周围,在视界外面,由于引力如此之大,有些正反虚粒子对产生后,其中一个粒子被吸入黑洞,另一个粒子逃了出来,由于没有了和它湮灭的对象,这个虚粒子就变成了实粒子 。如果正粒子吸入黑洞,出来的就是实反粒子;如果反粒子吸入黑洞,出来的就是实正粒子。
总结,粒子、反粒子、虚粒子之间的关系很像下面这张八卦图,白色表示粒子(即正粒子),黑色表示反粒子,黑白在一起被统称为实粒子。八卦图是用墨汁在纸上画的,正面颜色比较浓代表实粒子的质量大一些,背面颜色比较淡一点代表虚粒子的质量小一些。
八卦图中白色是实粒子,黑色是反粒子,将图翻一面就是虚粒子
可以看到,黑白图案是互为对称的,表示正反粒子的电荷、旋向是对称的,质量也相同;图案为左白右黑不能互换,但是把白朝右拉同时黑朝左拉,黑白碰撞(寓意为正反粒子相遇)后会湮灭成空气(寓意为实光子),分开后又称为黑白分明的正反粒子。把八卦图沿着水平方向翻一面就是背面了,背面就代表虚粒子,此时左黑右白。如果你将图案旋转180°又成了左白右黑,和刚刚看到的正面图案又一模一样了,意味着虚粒子变成了实粒子;同时背面的黑白颜色都比正面要淡一些,意味着虚粒子的质量比实粒子要小。
宇宙学家预测宇宙中存在暗物质和暗能量,认为宇宙由大约三分之二的暗能量和三分之一暗物质组成,它们导致过去数十亿年中宇宙一直在加速膨胀。因为我们一直观察不到暗物质和暗能量,所以暗物质是由什么组成的一直众说纷纭,比较严谨的论文和搜索引擎将其谨慎的称为“暗物质粒子”;而比较大胆的理论比如超弦理论,认为是十维空间中的超弦构成了暗物质;更加激进的理论认为是中微子—反中微子构成了暗能量,该理论甚至认为中微子—反中微子对是四大基本作用力的全部媒介子。
暗物质是什么样?至少目前没人真正知道
但是无论上述哪种理论,共同点就是都认为真空并不“空”。根据海森堡不确定性原理,我们不可能同时精确地测出一对共轭量,所以星际之间所谓的“真空”中,不停的有能量以正—反粒子对、虚粒子—虚反粒子对的形式产生,然后又迅速的互相湮灭变成其它粒子和能量,这个过程中很像海水潮起潮落一样,因此我们叫它量子涨落。不管各类粒子如何演变,总的能量一定是不变的。而这些正—反粒子对和虚粒子—虚反粒子对,以及驱动它们来回演变的能量,也许就是我们苦苦寻找的暗物质和暗能量。
进一步推测,暗物质向暗能量“借”能量后演变成其它粒子,然后又将能量迅速“归还”给暗能量并回归到初始粒子状态;或者暗物质释放能量,实施上述完全相反的过程;但是整个宇宙的总能量是不变的,这正是物理学的基础和哲学思想。尽管我们并不知道暗物质和暗能量的原理,甚至只能用“暗”字来描述而无法为它们准确的取名,但是可以相信它们一定是真实存在的。