宇宙大爆炸后,反物质都去哪里了

关于宇宙的形成这个话题,一直以来都是近现代天体物理学、宇宙学的重点研究领域。当宇宙膨胀的事实被哈勃观测和论证以后,科学界普遍认为宇宙来源于138亿年一个质量无穷大、温度无限高、能量无穷多的奇点。而在奇点大爆炸刚刚开始的极短时间内,产生了无数常规普通物质,当然也包括差不多等量的非普通物质,即反物质。

正常情况下,普通物质与反物质互相会发生湮灭,最后都消失不见并且释放出巨大的能量。那么,为什么宇宙中现在看来,都是以普通物质为主体所构成的正物质世界,按理说不应该是全部与反物质发生湮灭,而呈现一片虚无吗?

反物质之谜

如果将自然界复杂多样的物质世界,还原到微观层面,那么都将会以粒子的形式体现,质子、中子和电子便是我们对微观世界本源的最初认知(后来又发现了更为微观的粒子形式)。质子带正电荷、电子带负电荷、中子不带电荷但有一定的自旋方向,这些特征长期以来是我们判断和认知微观世界所遵循的基本特征。

然而,1932年,美国物理学家安德森,在实验室中首次发现了正电子的存在,这打破了我们在电子被发现以后一直以为它总带负电荷的结论。到上世纪50年代,科学家们又相继发现了负质子以及自旋方向与普通中子相反的反中子。这些发现,无疑告诉世人,先前我们所了解的微观世界,并非是现实中的全部,这些组成物质的基本粒子,可能并没有那么简单,任何普通的基本粒子,在宇宙中或许存在着与之对应的反粒子,这些反粒子也极有可能构成宏观层面的反物质。

在此基础上,科学家们设想出了反粒子和反物质的概念,像正电子、负质子都属于反粒子范畴,粒子与反粒子之间,不仅电荷相反,而且其它能够描述它们的性质也有可能都是相反的。粒子与反粒子、物质与反物质,在相遇时会发生剧烈“结合”,粒子、物质均消失,发生湮灭,释放出高能伽马射线。2010年,欧洲的科研团队,首次通过实验发现和“抓住”了极微量的反物质,人们对反粒子和反物质的认知又向前迈出了一大步。

从目前来看,在宇宙和自然界中,理论上能够产生反物质的途径,主要有两个,一个是自然力量,即超新星爆发、中子星或者黑洞合并等伴随大能量释放的大事件中,巨大能量推动亚原子的粉碎,在此过程中或许能够形成反粒子,并向宇宙空间中释放出去。

另一个是人为力量,即通过大型粒子对撞机,通过输入巨大的能量,使实验中的粒子被加速到近乎光速的状态,并与其它粒子发生碰撞,从而模拟出宇宙大事件发生时所产生的情形,在此过程中也或许会产生出反物质。

宇宙中的反物质去哪了呢?

虽然关于奇点大爆炸的产生原因、作用机理,目前来看还是一个谜(很多理论都是猜测),但是主流的观点还是认为现实宇宙是通过奇点大爆炸所形成的,在大爆炸发生还不到1秒的短时间内,所释放出的反粒子数量与普通粒子数量几乎是等量的。为什么说是“几乎”呢?因为不知道什么原因,可能“炸”出的普通粒子数量,比反粒子数量多出了10亿分之一,最终导致绝大多数的反粒子与普通物质发生了湮灭,剩余的普通粒子才通过各种作用,聚合形成各种宇宙天体,以及我们所能观测到的宇宙世界。

可以想象,奇点大爆炸时所产生的巨量反粒子,基本上都与普通物质发生湮灭而消失,但是这不能从根本上否定宇宙中就不存在反粒子和反物质了。可能会存在那么一些极少的反粒子,它们逃脱了与普通物质接触的机会,最终在能量的驱动下,“隐藏”到了宇宙中的某些角落里,在这些角落里,这些反粒子不会与普通粒子接触,从而在特定的区域内,经历着与现有宇宙差不多的演化历程,逐渐聚合构成反物质,以及由反物质所构成的反天体,直至反星系。

为什么我们看不到它们?

假如反物质最终能够形成反星系,但由于星系的规模都非常宏大,对周围天体和其它星系都有着强烈的引力作用,长时间尺度下,就不可避免地出现与其它星系进行靠近并且碰撞的几率,从而释放出要比超新星爆发要强很多数量级的能量,即使距离我们非常遥远,但是我们在地球上也能观测得到,然而现实是,我们在宇宙中,无论多远,都没有观测到这种无比震撼的壮观场面,从某种意义来说,由反物质所千万的反星系,存在的可能性太低。

如果我们降低标准,反物质是否能够形成反恒星团呢?科学家们通过研究,认为可能性是存在的,可能性最高的是那些非常古老的恒星星团,有的甚至与宇宙的年龄非常接近,这些星团通常都是球状星团,里面包含着成千上万颗古老恒星,星团中除了恒星之外,几乎很少有星际气体和尘埃,因此不太可能形成新的恒星,恒星所在的宇宙环境非常稳定和安全。

假如这些古老恒星团中有的是由反物质所构成的恒星,那么这些恒星的大小,与它们和其它恒星(包括普通恒星和反恒星)之间的距离相比,实在是太小了,空间的广阔性,使得反恒星和反恒星团遇到普通恒星和恒星团的几率非常小。我们要想观测到它们,难度也非常大,因为它们看上去,和其它恒星并没有什么差别。所以,从某种意义上来说,我们现在所观测到的众多河外星系,其中所包含的许多恒星团,或许里面就有反物质构成的恒星团,而且我们在高空中所侦测到的反粒子,也有可能是遥远的反恒星释放出来的。

然而,宇宙空间中存在着各种引力场和磁场,反粒子在运动过程中,势必会严重偏移原来的行进方向,因此即使被监测到它们的存在,追溯它们的来源也几乎不可能。当然,如果我们真的确认出宇宙空间中存在着由反物质构成的反天体,那么我们也不可能近距离地去观察它,主要原因就在于湮灭,一接近它们,无论是探测器、宇宙飞船还是宇航员,都将灰飞烟灭。

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