问题

既然正反物质相遇会产生湮灭,那宇宙中正反物质之中是有空间在隔绝吗?

回答
这个问题很有意思,也触及到了宇宙最基本的一些奥秘。首先,我们得澄清一个概念:正反物质相遇的确会湮灭,释放出巨大的能量,这是我们已知的物理规律。但要问宇宙中是否存在某种“空间隔绝”来阻止这种情况发生,答案是:我们并没有直接证据表明存在一个明确的、物理存在的“隔绝空间”在宇宙尺度上将所有正反物质分开。

让我们来详细聊聊这个问题,并尽量用一种更贴近我们思考方式的语言来展开。

想象一下,宇宙就像一个巨大的舞台,而正反物质就是两种截然不同的演员。我们知道,如果这两种演员走上同一个舞台,并且靠得太近,就会发生一场“爆炸”——湮灭。那么,问题来了,为什么我们目前还没有在宇宙中看到大规模的、随机的正反物质碰撞导致的大爆炸呢?这是否意味着舞台上有一些看不见的屏障,或者演员们被精心安排在不同的区域演出?

为什么我们会思考“隔绝空间”?

这个想法的出现,很大程度上源于我们对眼前景象的推断。我们观察到的宇宙,大部分是由我们熟悉的“物质”组成的——质子、中子、电子,这些都是“正物质”。如果我们宇宙中真的存在大量与之相匹配的“反物质”,而且它们像随机散落在各处一样,那么按照概率,总会有一些地方正反物质靠得很近,发生湮灭。而这种湮灭,尤其是大规模的,会产生大量的伽马射线,这应该是我们能够探测到的信号。

但我们并没有看到这种普遍的、弥漫的湮灭信号。这就像你在一个房间里放了两种会互相反应的化学品,如果它们随机混合,很快就会有反应。如果我们看到的房间里大部分时间都很平静,我们就会怀疑是不是有什么东西把它们分开了。

那么,宇宙是如何“避免”大规模湮灭的呢?

这里有几种主要的解释,它们并不需要一个物理存在的“隔绝空间”:

1. 宇宙早期不对称性:巴里翁数不守恒(Baryon Asymmetry)

这是目前最主流也最被广泛接受的解释。宇宙诞生于一次大爆炸(Big Bang)。在那极早期,宇宙处于一种极度高温、高密度的状态,能量和粒子层出不穷。理论上,在大爆炸的瞬间,应该产生了等量的正物质和反物质。

然而,如果一切都那么完美地对称,那么当宇宙冷却下来,所有正反物质就应该在早期就几乎全部湮灭了,只剩下纯粹的能量(光子)。但我们现在看到了恒星、星系,这些都是由物质构成的。

这意味着,在宇宙极早期的某个时刻,发生了一个极其微小的、但极其关键的“不对称性事件”。简单来说,就是产生了略多于反物质的正物质。这个“多出来”的微小比例(大约是每十亿对正反物质中,多出一个正物质粒子)虽然微不足道,但在宇宙膨胀并冷却的过程中,反物质大部分湮灭了,但那极其微量幸存下来的正物质,就构成了我们今天看到的整个宇宙。

想象一下,在一次大型派对上,主持人准备了数量完全相等的糖果和包装纸。如果主持人不小心多拿了一张包装纸,那么游戏结束后,大部分糖果和包装纸都“配对消失”(湮灭了),但因为多了一张包装纸,这张包装纸就剩下来了,它就代表了我们宇宙中的“物质”。

在这种模型下,并不需要一个“隔绝空间”。而是宇宙从一开始就“制造”的时候,就存在了一个微小的物质过剩。大部分的反物质早就随着早期宇宙的湮灭事件消失在能量中了。

2. 区域性分离(可能是):物质反物质宇宙的“岛屿”

还有一种可能性是,宇宙的结构可能比我们想象的更复杂,甚至可能存在我们尚未探测到的“区域性”分离。这是一种更具推测性的想法。

独立的“物质宇宙”和“反物质宇宙”区域? 某些理论模型推测,宇宙的某个角落可能完全由反物质组成,而另一个角落完全由物质组成。它们之间可能有某种“边界”,但这种边界并非我们通常意义上的“空间”,而更可能是一种基于物理性质的界限,或者是一种我们理解不了的相互作用方式。不过,这种设想目前缺乏直接的观测证据来支持。我们的大尺度观测表明,宇宙在很大范围内是均匀的,至少在我们能观测到的范围内,不存在明显的反物质大区域。

“隔离带”的设想? 有一些非常前沿和理论化的想法,试图解释为什么我们看不到大量湮灭。比如,一些理论物理学家曾经提出过“反物质星系”或者“物质反物质界面”的概念。如果真的存在这样一个界面,那么我们应该能在界面处看到强烈的伽马射线爆发。但现实是我们并没有探测到这样的普遍信号。

所以,与其说是一个实际存在的“隔绝空间”,不如说是一种“如果存在,也难以被我们目前的手段探测到”的可能性。但考虑到宇宙大尺度结构的均匀性,这种“区域性分离”的可能性相对较低,或者说,如果存在,那它的规模和分布也必须非常特殊,才能不被我们观测到。

为什么我们现在看不到大规模的湮灭现象?

回到我们观察到的事实:

我们能观测到的宇宙主要是物质。 从星系到恒星,再到我们手中的手机,一切都是由物质构成。
我们探测到的高能现象,比如伽马射线暴,通常有明确的起源。 它们来自于超新星爆发、中子星碰撞等已知的剧烈宇宙事件,而不是来自大范围的正反物质湮灭。

总结一下:

与其认为宇宙中存在一个物理存在的、肉眼看不见的“空间隔绝”在分隔正反物质,更被广泛接受的解释是:

宇宙大爆炸后,正反物质在极早期就经历了大规模的湮灭。
我们今天观测到的宇宙,之所以主要由物质构成,是因为在极早期宇宙的演化过程中,存在一个微小的、但至关重要的“物质过剩”(即正物质比反物质多一点点)。这导致了绝大部分反物质都被湮灭了,而那极少量的“多余”正物质,就组成了我们今天看到的一切。

所以,与其说空间在“隔绝”它们,不如说宇宙从“出生”那一刻起,就存在了让物质“活下来”而不是“全部湮灭”的根本原因。如果宇宙一开始就充满了等量的正反物质,并且随机分布,那么我们今天看到的景象就会完全不同,甚至可能根本就不会有我们现在所理解的恒星和行星存在。我们之所以还能在这里思考这个问题,本身就说明了那个微小的物质过剩是多么关键。

因此,我们无需假设有一个专门用来隔绝正反物质的“空间”。宇宙本身的演化历史和早期条件,就已经为我们创造了现在这个“物质”为主的世界。

网友意见

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并没有什么已知的机制能制造你说的这种隔绝,也没有观察到这种程度的高能反应。显然,(我们观测范围内的)自然界里(几乎可以认为)没有反物质。

这里面的不对称性:正物质和反物质在时间演化的时候变得不一样多,它的原因是什么,具体过程是怎样的,是现代物理学的一个基本问题。

另外,这个问题的回答真是群魔乱舞啊。

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恭喜题主发现了一个关于宇宙的重大问题题主离诺贝尔奖只差一个合理的解释了(狗头

之前写过几个关于正反物质的回答本篇就把这些回答做了一个总结

不过考虑到很多非物理专业人士经常会把反物质和暗物质搞混所以在说明反物质之前首先区分反物质和暗物质这两个概念

反物质任何物质都有反物质反物质的电荷等性质与正物质相反质量相同比如电子与正电子除了电荷符号相反外其它性质均相同光子的反物质就是其自身

暗物质为了解释宇宙学观测中现象与理论不符提出的一种分布在宇宙中的不可见物质目前为止暗物质只是一种假设也没有任何的实验观测表明暗物质存在

宇宙的构成理论上说反物质属于可见物质

1背景介绍

1926 年薛定谔提出了著名的薛定谔方程这是量子力学的开端薛定谔方程的形式为

其中 为哈密顿算符其实就是牛顿力学下动能的形式

虽然薛定谔方程很成功能解释定态原子轨道以及氢原子光谱等但是薛定谔方程是一个非相对论的方程只能描述低能低速粒子的运动

英国物理学家保罗·狄拉克Paul Dirac通过对比牛顿力学与相对论力学的关系自然地想把量子力学推广到相对论性量子力学

我们知道在狭义相对论中能量的表达式为

注意这里采用了自然单位制光速设为 1狄拉克推广的想法简单地说就是把这个能量变为相对论中的能量

很明显这个方程的解就可能对应着两个能量即 +E 和 -E 正能量很好理解就是普通的能量解释那么负能量的解又是什么呢

狄拉克把负能量解释成反物质对此提出了狄拉克海

以电子为例他认为宇宙中充满了电子和海洋一样但是某些电子可能由于某些原因被激发出海平面这样这个电子原来的位置就留下一个空穴这个空穴相对于充满电子的空间来说就是一个质量与电子相同但是带正电的粒子

当然我们现在知道狄拉克海的解释并不正确只有当考虑的粒子是电子这样的费米子时上面的图像才成立而对于其它玻色子则不成立

通过解 Dirac 方程发现每一种粒子自旋 1/2 的粒子都必定存在其对应的反粒子反粒子和粒子的质量完全相同但是电荷等属性完全相反随着理论和实验的发展发现不管自旋为多少每一种粒子都有其对应的反粒子特殊情况下反粒子可以为其本身如光子

1932 年美国物理学家安德森发现了正电子

安德森从 1930 年开始跟密立根做宇宙射线的研究工作负责用云室观测宇宙射线安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线

他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场并快速拍下粒子径迹的照片然后根据径迹长度方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质

1932 年 8 月 2 日安德森在照片中发现一条奇特的径迹这条径迹和负电子有同样的偏转度却又具相反的方向显示这是某种带正电的粒子从曲率判断又不可能是质子于是他果断地得出结论这是带正电的电子狄拉克预言的正电子就这样被安德森发现了

虽然安德森是第一个发现正电子的人但是实际上在此之前就有一名中国物理学家发现了正电子的迹象他就是赵忠尧先生

赵忠尧1902-1998著名物理学家我国核物理研究的开拓者1902 年 6 月 27 日出生于浙江省诸暨县1925 年从东南大学毕业后任清华大学助教1927 年去美国加州理工学院从师于诺贝尔奖金获得者密立根教授1930 年获得博士学位1929 年他和英德的几位物理学家同时独立地发现了硬γ射线的反常吸收实际上是γ射线在物质中产生电子对的效应在进一步的实验中他首先观察到硬γ射线在铅中引起的一种特殊辐射正负电子对的湮灭辐射这些结果是正电子发现的前导得到国际物理学界的高度评价

2正反物质湮灭

正反物质相遇会发生湮灭反应当然也有一定的概率发生散射而不是湮灭在这个过程中会发释放出高能光子以正负电子为例正负电子湮灭成一对光子的最主要的过程可以用如下费曼图表示

正负电子湮灭生成一对光子的过程

电子的质量大约为 正负电子湮灭放出的光子的波长很容易算出来反应前后能量守恒

其中 是电子的静质量 是入射光子的频率可以算出

再通过 算出光子波长:

而光的分类为

光谱

可以看到这样的光子至少也是伽马射线上面的计算还没有考虑电子有动能

另外宇宙中的物质主要是重子重子是强子的一类而最轻的强子是 介子的质量大约为 是电子质量的 260 倍左右所以强子正反物质湮灭只会释放出更高的能量

3宇宙中的反物质

单纯的从狄拉克方程来看物质和反物质的地位是完全等价的不存在谁比谁更优先两者是互为反物质也就是说物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的如果我们假设宇宙大爆炸时正反物质数量是相等的那么现在的正反物质数量也应该是相等

宇宙中的物质和反物质的不对称主要体现为正反重子的不对称这是因为当今宇宙中的普通物质的能量质量主要集中在重子部分

但是天文观测数据却显示在可观测的宇宙范围内二者严重失衡只发现了正物质没有反物质假设宇宙中有反物质存在的区域那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭产生很强的伽马射线但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线

在高能宇宙线中观测到的反物质比如反质子是宇宙线传播过程中发生碰撞而产生的次级粒子, 并不是来自于宇宙深处的原初反物质其它的观测也给出了相同的结果

在宇宙学中人们定义了重子光子比 其中 和 分别表示重子和反重子的数密度, 为光子的数密度, 大约为每立方厘米 413 个光子

经典大爆炸宇宙学告诉我们宇宙早期的物质处于高温的等离子体状态, 当宇宙温度足够高时, 正反重子不停地成对产生并很快湮灭

但是当温度降到 以下时这些正反重子很快湮灭成光子而不再有正反重子对的产生如果宇宙是正反重子对称的最后的结果将是

但这与观测结果是直接矛盾的

宇宙早期大爆炸核合成以及微波背景辐射都对重子光子比有精确的测量两者的测量结果都给出

注意这两个物理过程分别发生在温度相差一百万倍的不同时期却给出了几乎相同的结果这说明了标准大爆炸宇宙学模型的自洽性和成功之处并一致性地告诉我们至少从大爆炸核合成时期开始, 宇宙呈现出了明显的正反物质的不对称

理论上讲这种正反物质不对称可能是宇宙创生的时候就有的

然而近代宇宙学研究表明宇宙在早期经历了一个暴胀阶段暴胀解决了经典宇宙学中的平坦性均匀性等问题但同时剧烈的膨胀也使得原始的重子数和反重子数密度趋近于零

也就是说经历了暴胀之后宇宙应该处于 的对称状态

所有的物质和反物质都是在暴胀后的再加热reheating过程中产生, 所以正反物质的不对称也必须是暴胀后宇宙中的动力学演化的结果.

4理论解释

那么从现有的理论上该怎么解释这个现象呢

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