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1、2005年4月绵阳师范学院学报Apr.,2005第24卷第2期JournalofMianyangNormalUniversityVo.l24No.2宇宙物质探索现状陶才德(西华师范大学物理与电子信息学院,四川南充621000)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;暗能量中图分类号:O5723文献标识码:B文章编号:167
2、2612x(2005)020001050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。[1]上个世纪,可以说是物理学的世纪,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
3、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
4、缩回来(有限无界的封闭宇宙)呢?这应由现今宇-303宙的物质密度与临界密度c=5!10克/厘米的相对大小来决定。决定宇宙物质密度的物质有哪些呢?1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。然而至今在浩瀚的宇宙空间还没有找到反物质(即使发现
5、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=(nB-nB)/nr作为物质与反物质不对称的度量,其中nB和nB分别是重子和反重子收稿日期:20050308作者简介:陶才德(1941~),男,教授、硕士生导师。主要从事理论物理、天体物理及早期宇宙的教学和科研工作。主研和参研国家和省级科研项目五项:先后在国内外著名学术刊物上发表论文三十多篇,并在量子宇宙及宇宙波函数的二次量子化方面做了一系列有创见性的工作。1991年起被中国物理快报(英文版)聘为特约审稿人,1992年当选为中国引力与相对论天体物理学会理
6、事。2003年起被聘为绵阳师院客座教授。∀1∀绵阳师范学院学报2005Vo.l24No29的数密度,nr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~10K)和近年的微波3-10+03-10背景辐射的研究(T~10K),前者给出=(26-62)!10,后者为=(61-02)!10,#0告诉6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10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。-36理论上讲,这种正反物质的不对称性有可能是原
7、始宇宙所固有的,然而在宇宙早期(t~10秒)的暴涨阶段,会使原始的重子数密度趋近于零,后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-36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(t∃10),这三个条件可以同时满足,但-10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10,因而它不能完全解决宇
8、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
