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1、宇宙物质探索现状姓名：谭建妮学号：班级：11级物理学摘要:介绍了当今物理宇宙学和天文学在探索宇宙物质成份过程中所遇到的解释正反物质不对称的起源以及澄清占宇宙物质成份95%以上的暗物质与暗能量的本质的难题,并指出了这一严峻的挑战很可能会给物理学带来一场革命。关键词:反物质；暗物质；暗能量一、引言对宇宙中物质成份的探索和研究,既是宇宙学和天文学的课题,也是当今物理学所面临的重大挑战和难题之一。新物质形态的出现不仅会改变我们对于宇宙的认识,而且也迫使我们不得不重新审视我们已建立起来的物理理论,从而很可能将开创一个新的物理学领域,物理学也许会面临一场新的革命。上个世纪,可以说是物理学的世纪
2、,物理学两个基本理论:量子力学和相对论的建立不仅为现代物理学乃至整个自然科学的发展奠定了理论基础,而且也大大促进了各个技术领域的进展。人类在探索宇宙奥秘和物质基本结构及其相互作用方面取得了辉煌成就,这些成就建立在描述微观世界的粒子物理的标准模型和描述宇观世界的大爆炸宇宙学的标准模型上。按我们现在的认识,宇宙大约是在150亿年前的一次大爆炸形成的,自那以后一直在膨胀着。在我们目前所观测到的约120亿-130亿光年的宇宙区域有10亿个星系。每个星系大约又有千亿个像太阳这样的恒星。星系是在100亿年前形成的,而我们的太阳系则是在50亿年前由气云和尘埃通过自身引力作用凝聚而成。按照大爆炸理
3、论,由于宇宙物质自身的引力作用,宇宙膨胀应是一种减速膨胀。宇宙将来会永远膨胀下去(无界无限的开放型宇宙),还是膨胀到一定时候会收缩回来(有限无界的封闭宇宙)呢?这应由现今宇宙的物质密度与临界密度克/厘米3的相对大小来决定。决定宇宙物质密度的物质有哪些呢?一、反物质自上个世纪30年代狄拉克在理论上预言了反电子(正电子)的存在,后来安德孙在宇宙线中发现了反电子以来,粒子物理学家发现每种粒子都存在着一种反粒子。反粒子和粒子的质量相同,电荷相反。如果这种正反粒子对称性是宇宙间的根本规律的话,宇宙中应该存在有由反质子,反中子和反电子构成的反物质,而且由对称性考虑,反物质应与(正)物质一样多。
4、然而至今在浩瀚的宇宙空间还没有找到反物质(即使发现了一些反粒子,也极少极少),那么反物质到哪里去了?物理学家通常用作为物质与反物质不对称的度量,其中和分别是重子和反重子的数密度,是光子的数密度。对于的精确确定主要来自宇宙早期核合成理论(T~109K)和近年的微波背景辐射的研究(-),前者给出=,后者为=,告诉我们宇宙中正反物质是不对称的。注意:这两个物理过程分别发生在温度相差106倍的时刻,但却给出了几乎相同的结果,这也说明了标准大爆炸宇宙模型的自洽和成功之处。理论上讲,这种正反物质的不对称性有可能是原始宇宙所固有的,然而在宇宙早期(秒)的暴涨阶段,会使原始的重子数密度趋近于零,后
5、来的物质是在宇宙暴涨后的再加热(reheating)过程中产生的,这时产生的正反物质应是对称的,物质与反物质的不对称性必定是以后宇宙演化的结果。1967年萨哈洛夫给出了产生正反物质不对称(Baryogenesis)的三个条件:存在重子数不守恒的过程;C和CP对称性的破坏；脱离热平衡。在大爆炸宇宙论的大统一时期(),这三个条件可以同时满足,但粒子物理的计算表明,标准模型给出的正反物质不对称大大低于,因而它不能完全解决宇宙中正反物质不对称的疑难。正反物质不对称疑难的研究促进了超出标准模型的新物理理论的探讨,其中比较有希望的是超对称的标准模型。在这个模型中,有新的CP破坏源,有丰富的希格
6、斯粒子。超对称模型是否可以破解反物质丢失之迷还有待实验上的验证,需要发现超对称粒子和新的CP破坏现象。在粒子物理的标准模型中重子数和轻子数分别由sphaleron过程破坏,但二者之差却是守恒的,这就将重子数的改变和轻子数的改变联系到一起了。同样,轻子数不对称的产生机制需要轻子数破坏过程,轻子数部分的C和CP破坏以及非热平衡态的实现,而这些条件在一般的描述有质量的中微子模型中都可以实现,故对中微子振荡物理理论和实验的探索也倍受关注。三、暗物质就(正)物质而言,以前认为宇宙中的物质以两种形式存在:一种是普通物质(实物),它们由原子分子(归根结底是由重子)构成,它们可以发光，因而也叫发光
7、物质；另一种是辐射,主要是存在于空间的各种电磁波。由重子构成的天体的发光强度与它们质量之间存在一定的关系,因此,宇宙中有多少发光的普通物质是可以测量的,用这种方法得到的质量叫光度质量。至于宇宙中的辐射物质的质量(能量)密度大约只有重子物质密度的0.1%,因而完全可以忽略,这也是今天的宇宙叫作物质为主的原因。但是用光度方法测得的宇宙重子密度不到临界密度的二十分之一,即。由此是否可以得出结论:我们的宇宙是一个开宇宙,将会永远膨胀下去呢?不一定，因为宇宙中还可能存在有其他形
