反粒子,反物质与我们而言并不遥远!

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1、第二十七章：反粒子，反物质与我们而言并不遥远！对立和统一是一个我们熟知的哲学观念，有上就有下，有阳就有阴，有正就有反。在物理学中也不例外，反粒子的发现就是最好的证明，那么什么是反粒子？反粒子的发现能给我们什么启发？首先反粒子是相对于正常粒子而言的，它们的质量、寿命、自旋都与正常粒子相同，但是所有的内部相加性量子数（比如电荷、重子数、奇异数等）都与正常粒子大小相同、符号相反。还有一些粒子的所有内部相加性量子数都为0，这样的粒子叫做纯中性粒子，反粒子就是它本身，比如光子、π0介子等。并不是粒子物理学中的每种粒子都有这种意义上的反粒子，中微子就没有反粒子，反中微子的定义与此不同。大家要知道

2、，反粒子的概念首先是1928年由英国物理学家狄拉克在他的空穴理论中提出的。1932年在宇宙射线中发现了正电子，证实了狄拉克的预言。1956年美国物理学家欧文·张伯伦（OwenChamberlain）在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质子。进一步的研究发现，狄拉克的空穴理论对玻色子不适用，因而不能解释所有的粒子和反粒子。根据量子场论，粒子被看作是场的激发态，而反粒子就是这种激发态对应的复共轭激发态。如果反粒子按照通常粒子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。后面会给你讲反物质的概念。那么有哪些常见的反粒子呢？正电子、反质子、反中子、反中微子、反介子、反超子等都是反粒

3、子。再强调一遍，反粒子与所对应的粒子在质量、自旋、平均寿命和磁矩大小都相同；如果带电。两者所带电量相等而符号相反。磁矩和自旋的取向关系也相反。反粒子与所对应的粒子相遇就发生湮灭而转变为别的粒子。一切粒子均有其相应的反粒子，如电子e-的反粒子是正电子e+，质子p的反粒子是反质子，中子n的反粒子是反中子，1959年王淦昌领导的小组发现的反西格码负超子是Σ-的反粒子。有些粒子的反粒子就是它自己。如γ光子、π0介子和η介子。一些中性玻色子如光子、π0介子等，其反粒子就是它们自己。所以说除了某些中性玻色子外，粒子与反粒子是两种不同的粒子。上面已经介绍了，反粒子最早是1928年P.A.M.狄拉克

4、理论上预言正电子而提出的，1932年被C.D.安德森实验发现而证实；1956年美国物理学家张伯伦在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质子，他用玻璃管中的被粒子加速器加速过的高能粒子对相撞，发现在突然间成对出现了几道轨迹，又在短时间内相撞而互相湮灭，这是人们第一次直接观测到反粒子。正反粒子是从场论的观点来认识的，场的激发态表现为粒子，与之对应，场的复共轭激发态表现为反粒子。当γ光子的能量大于某种粒子静能的两倍，在一定的条件下就可以产生正反粒子对；反之，正反粒子相遇可湮灭并产生两个光子或3个光子，遵从质量-能量守恒和动量守恒。如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的是应该存在质子的反粒子

5、、中子的反粒子。1956年美国物理学家张伯伦等在加速器的实验中，发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子。接着又发现了反中子。后来发现，各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的。有些粒子的反粒子就是它自己，这种粒子称为纯中性粒子。光子就是一种纯中性粒子，光子的反粒子就是光子自己。在粒子物理学中，已不再采用狄拉克的空穴理论来认识正反粒子之间的关系，而是从正反粒子完全对称的场论观点来认识。迄今，已经发现了几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子。如果反粒子按照通常粒子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。反物质又是什么

6、概念？物理学上指反原子核由反质子和反中子组成的带负电荷的物质。反核子（反质子和反中子）组成反原子核，反原子核和正电子组成反原子，各种反原子组成各种反物质。对于反物质的探索过程，已经取得了很大成功。下面就是一些实例。1995年欧洲核子研究中心的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质——反氢原子。1996年，美国的费米国立加速器实验室成功制造出7个反氢原子。1997年4月，美国天文学家宣布他们利用伽马射线探测卫星发现，在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质形成了一个高达2940光年的“反物质喷泉”。由于我国参与了这项研究，因此新闻媒体曾热心地宣传

7、过它。美国著名华裔科学家丁肇中也正致力于此。2000年9月18日，欧洲核子研究中心宣布他们已经成功制造出约5万个低能状态的反氢原子，这是人类首次在实验室条件下制造出大批量的反物质。欧洲原子研究中心的科学家们在欧洲当地时间的2010年11月17日表示，通过大型强子对撞机，他们已经俘获了少量的“反物质”。当然，这些“反物质”只是少量的反氢原子而已，但这一发现也是引发了科学家极大的反响。位于日内瓦的欧洲核子研究中心一直以来也在为破解这一难题而不懈的努力。欧洲核子