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反物质粒子怎么获得(粒子、反粒子和虚粒子)

时间:2024-08-11 15:01:23

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:第一个电子放出光子被第二个吸收;第二个电子收到虚光子后也放出一个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,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光子后,那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光子,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。