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谁创造了宇宙

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匿名  发表于 2018-7-6 10:35 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

谁创造了宇宙





  被称为“上帝粒子”的希格斯粒子决定了一些物质具有的质量,人们在大型粒子对撞机中似乎发现了它的踪迹;但还有一类粒子也很重要,它们是帮我们解开“暗物质之谜”和“物质存在之谜”的一把钥匙,科学家甚至认为,正是这种粒子可以回答——

  

  神秘的人,神秘的粒子

  要解答谁创造了宇宙这个问题,恐怕不得不提到一位古怪的人的名字。

  上世纪30年代,意大利物理学界出了一位堪与费米齐名的天才,叫马约拉纳。费米的天才主要表现在实验方面,而马约拉纳的天才则表现在理论方面,他们同属一个团体,两人相得益彰,一时促成了意大利物理学的繁荣。

  但马约拉纳是一个很古怪的人,他很少把自己的思想写成论文,即便写了,也塞在抽屉里,很少拿去发表。更加神秘的是,1938年3月,年仅32岁的马约拉纳突然失踪了,此后再也没有露面。

  时隔70多年,国际物理学界依然在热议和寻找“马约拉纳”,不过不是马约拉纳本人,而是一种以他的名字命名的粒子。这种粒子有一个特殊的身份,它既是物质,又是反物质,它集正反物质于一身,如果找到了它,或许能够帮助我们鉴别暗物质——一种占宇宙总质量85%以上的神秘物质——的身份,甚至能够帮助我们回答一个由来已久的谜团:为什么宇宙中会存在物质?

  然而迄今,人们对于这种粒子的搜寻依然劳而无获。有人认为,马约拉纳粒子像中微子一样,正以每秒数百万计的速度呼啸着穿过我们的身体;也有人说,我们将会在欧洲大型强子对撞机中找到它;但这些说法都缺少坚实的根据。

  不难看出,马约拉纳粒子几乎跟马约拉纳本人一样神秘。

  

  太极粒子的由来

  由于这种粒子集正反物质于一身,很像我们中国人太极图的样子,它集阴阳于一身。我们把它称为太极粒子。

  这种未知的神秘粒子是马约拉纳对英国物理学家狄拉克所建立的一个方程做了微小的修正之后提出来的。

  我们知道,20世纪初物理学上发生了一场由相对论和量子力学领导的革命。但在最初的20多年,相对论和量子力学就像拥立山头、各自为王的起义军一样,彼此独立发展。直到1928年,狄拉克才通过一个方程把狭义相对论和量子力学统一起来(至于广义相对论,至今还没有跟量子力学统一),用以描述电子以及其他费米子的行为。

  狭义相对论和量子力学刚一“联姻”,就产生了一个重要的成果:预言存在着一类反粒子。譬如,电子应该有其反粒子(现在称之为正电子),两者除了所带电荷符号相反,其他性质,诸如质量、电量、自旋等等都完全一样。1932年,美国物理学家安德生在实验中捕获了正电子,而且其性质确如狄拉克所料。从此,反物质的概念被大家广为接受。

  正反物质的最迷人之处是两者天生是冤家,尽管有句俗话说“不是冤家不聚头”,可是这对冤家却聚不得头,一相遇就要“火并”,即在瞬间相互湮灭,转化为纯粹的能量。因为这一特征,正反物质成了科幻小说取之不竭的材料。然而一个很大的宇宙之谜也随之而来:出于对称性的要求,在宇宙大爆炸之初,制造的正反物质的量应该是严格相等的;但倘若真如此,那么按理说,它们此后就会彻底湮灭,什么也不会剩下;可是,我们这个由正物质构成的世界,包括众多的星系、恒星和行星,为何能保存至今呢?

  在狄拉克最初的理论中,只有带电荷的费米子才有反粒子。马约拉纳对狄拉克的理论做了一个微小的修正,把结论推广到不带电的费米子也拥有反粒子。比如,中子是费米子,而且不带电,但中子也有它的反粒子——反中子,这已被后来的实验所证实。

  更有趣的是,马约拉纳还预言存在这样一类费米子:它拥有“双重人格”,既是粒子,又是反粒子,或者说,它集正反物质于一身(从这一特点,我们不难推知,这类粒子肯定不带电);要是两个完全一模一样的这类粒子相遇,它们就会像粒子遇到反粒子一样,发生湮灭。这类费米子就叫“马约拉纳粒子”。

  

  为何神秘粒子必须是费米子?

  前文中,我们为什么要不断强调马约拉纳粒子首先必须是费米子呢?这是因为,狄拉克的理论只适用于描述费米子,尽管马约拉纳后来对这个理论做了修正,但适用条件没变,所以马约拉纳所做的预言也只适用于费米子;其次,在自然界,费米子是最普遍、最重要的一类粒子,迄今组成物质的基本单元,包括夸克和轻子(像电子、μ子等质量很小,不参与强核力作用的粒子),都是费米子,在它们中找到一种集正反物质于一身的粒子,意义才重大。

  不过,在阅读前文的时候,你可能对这个条件不加注意,却被马约拉纳粒子“自己人跟自己人作对”的这一罕见特征所吸引,甚至怀疑有着这种荒唐行径的粒子会不会存在。

  告诉你吧,倘若撇开费米子这一要求,那么集正反粒子于一身,并会彼此“火并”的粒子,在自然界其实早就有了。

  比如,粒子物理学标准模型也预言,任何粒子,不论带不带电,都有其反粒子,而那些传递相互作用的粒子——玻色子,倘若不带电(因为传递弱核力的玻色子就有带电的),其反粒子就是它自身;当这样两个完全一式一样的玻色子相遇,就要发生湮灭。符合这个条件的粒子目前有:传递电磁力的光子,传递强核力的胶子,设想中传递引力的引力子,传递弱核力的Z0以及最近发现的希格斯粒子。

  举例来说,不带电、静止质量为零的光子,其反粒子就是它自身。在一些非常罕见的条件下,两个光子迎头相碰,就要相互湮灭,转化为纯粹的能量,只是湮灭后的能量将又以一个能量更高的光子的形式释放出来。你或许会追问,我们周围到处充斥着光子,为什么两个光子相遇还非常罕见呢?这是因为光子时刻在做高速运动,很难聚集成团,它们在空间的分布实际上是非常稀疏的,刚好相遇的情况还是很罕见的。

  所以,倘若没有费米子这一要求,那么光子就可以称得上是马约拉纳粒子,其他几种传递相互作用、不带电的玻色子很可能也是。

  但是,所要求于马约拉纳粒子的,恰恰第一条就是“费米子”。而目前在所有费米子里面,还没有一种粒子符合“集正反物质于一身”这一特征。所以,到底有没有马约拉纳粒子才引起物理学家的兴趣。

  

  中微子是不是太极粒子?

  在所有已知的基本粒子中,中微子是马约拉纳粒子最热门的候选者。中微子是核反应中的“常客”,但这种粒子质量很小,又非常“孤僻”。它们不参加强核力和电磁力的作用,换句话说,几乎不与普通物质发生作用,所以它们很难被探测到,我们对中微子至今了解得还不多。

  目前在粒子物理学的标准模型中,中微子是一种不带电的费米子,它总共有三类:一类是电子型中微子,一类是μ子型中微子,还有一类是τ子型中微子。三类中微子又各有自己的反中微子。中微子和反中微子是不同的粒子。

  对于中微子的分类,已有实验证实;但对于“中微子和反中微子是不同的粒子”这一点,目前还只是理论上的推测。

  但是,另有一些理论暗示,这种推测可能是错觉,中微子和反中微子很可能是同一种东西。换句话说,中微子很可能就是集正反物质于一身的马约拉纳粒子。

  要想确定中微子是否就是马约拉纳粒子,唯一的办法就是让两个同类型的中微子相撞,看看它们是否会相互湮灭。遗憾的是,中微子非常“孤僻”,让中微子与大团的物质相遇,它尚且如入无物之境,更遑论让两个非常小的中微子彼此碰头了。

  具体到实验上,那就是观察一类不产生中微子的双-β衰变。通常情况下,每一次β衰变都要发射一个反中微子,但是某些原子核会连续发生两次β衰变,每一次都发射出一个反中微子。这就是双-β衰变。一般来说,双-β衰变要发射2个反中微子,但假如中微子是马约拉纳粒子,中微子和反中微子是一回事,那么让这两个反中微子相遇,就有可能相互湮灭,双-β衰变的结果中就不会有中微子产生。

  当然,这项实验远比姜太公钓鱼还需要耐心。倘若中微子真是马约拉纳粒子,那么据估算,一个能够发生双-β衰变的原子核中,平均大约每1025年才会发生一次不产生中微子的双-β衰变。2001年,德国和俄罗斯的一个联合小组报道,他们对锗-76原子核持续观察了10年,终于观察到了这样一个事例。但因这种实验一时根本无法重复,其结果至今还遭受质疑。

  2012年,来自4个国家的100多名物理学家云集美国洛斯阿拉莫斯国家实验室,准备建造一个马约拉纳探测器,对1吨左右的锗-76进行跟踪观测,看看能否重复出上述的结果。

  

  暗物质之谜和物质存在之谜

  也有人寄希望于欧洲大型强子对撞机。2012年7月,科学家宣布在强子对撞机找到了已经“久仰”的希格斯粒子。下一步,他们将验证超对称理论。

  超对称理论预言,标准模型粒子表中的每一个粒子,都有一个重得多、迄今未被发现的“超对称伙伴”。费米子的超对称伙伴是玻色子,玻色子的超对称伙伴是费米子。超对称就是费米子和玻色子形成一一对应的意思。

  拿最近发现的希格斯粒子来说,它是一种不带电荷的玻色子,它的超对称伙伴就应该是不带电荷的费米子(暂且称之为超对称希格斯粒子)。希格斯粒子的反粒子是它本身,那么超对称希格斯粒子的反粒子也应该是它本身。由于超对称希格斯粒子是费米子,所以,它很可能就是马约拉纳粒子,两个超对称希格斯粒子相遇,就会相互湮灭。

  还有一种叫“弱相互作用大质量粒子(WIMP)”的超对称粒子,目前被科学家认为组成了神秘的暗物质(见我刊2012年11期《宇宙“黑暗帝国”的主力军》一文),这种粒子很可能也是马约拉纳粒子。若果真如此,这种粒子的相互湮灭就可以解释目前在宇宙线中观测到的某些反常现象。

  当然了,眼下通过在强子对撞机上寻找超对称粒子还宛如雾里看花,要它去寻找马约拉纳粒子,更如画饼。我们不妨换个话题,来谈谈马约拉纳粒子如何能解释物质的存在之谜。

  我们不妨设想在宇宙大爆炸的早期,存在一种不带电的高能费米子,倘若这种粒子和它的反粒子是完全不同的两类粒子,它们在大爆炸中产生的量严格相等,那么此后,随着宇宙温度下降,它们将各自衰变成其他物质粒子和反物质粒子,这些正反物质粒子的量也将严格相等,这样一来,这些正反物质到头来还是要相互湮灭,什么也不会剩下。

  但是,倘若这种粒子是马约拉纳粒子,情况就不同了。因为这种粒子既是物质粒子,又是反物质粒子,它在衰变的时候,可以任意地衰变成其他的物质粒子和反物质粒子。物质粒子和反物质粒子的数量没必要非得严格相等,于是,只要衰变成的物质粒子比反物质粒子稍多那么一点点,那么等到该湮灭的都湮灭了之后,剩余的物质粒子依然足可形成星系、恒星和行星,一句话,形成我们这个由物质组成的世界。

  

  把电子劈成两半

  有意思的是,2012年6月,美国物理学家在超导体材料中发现了“准”马约拉纳粒子的踪迹。“准”的意思就是它并非粒子物理学意义上的马约拉纳粒子,但它的表现却符合马约拉纳粒子的特征。就好比前些年人们制造的声学黑洞,它并非真正意义上的黑洞,但其表现却很像黑洞。

  我们知道,正反粒子相遇要彼此湮灭,所以,一个真实的正电子倘若闯进充满无数电子的物体时,就会立刻“一命归西”。但在超导体中,却有一类“正电子”,能安全地栖身在周围电子的海洋中。这种“正电子”就是空穴。

  在超导体中,空穴原本是由电子占据的“坑”。我们知道,电子带1个单位的负电荷,但超导体整体不带电,所以不妨设想,每个空穴带1个单位的正电荷,这样两相中和,超导体呈电中性。当超导体通上电时,电子像听到冲锋号吹响的士兵一样,从空穴中跳出来,在原来的位置,就单留下了带正电的空穴;前进中的电子倘若不小心掉进别人留下的空穴,那么,那个位置又呈电中性了。这一切都跟正反电子湮灭很相似。所以,从很多方面看,超导体中的空穴很像正电子。

  空穴的行为与正电子酷肖,这让科学家制造“准”马约拉纳粒子成为可能。假如说,我们能够把半个电子和半个空穴结合起来,理论上就获得了一个总电量为零的费米子,其反粒子就是它自身,那么它就是一个“准”马约拉纳粒子。

  “等一等!电子是一种基本粒子,我们似乎不能把它分割成一半吧?”

  这么说没有错,但是在超导体的神奇世界里,什么事情都可能发生。想必大家都见过体育馆里的人浪,不同座位的人站起来又坐下去,人浪作为一个整体此起彼伏。在超低温条件下,电子和空穴已经丧失了自己固有的一些特点,超导体里的电子和空穴也像人浪一样,它们的运动表现出波的性质,能够毫无阻碍地在超导体中像波一样穿梭而过。这样的性质让人们有机会“分割”电子。

  2010年,制造“准”马约拉纳粒子的工作取得了重要进展。首先,科学家对超导体里的电子进行了限制,让它们只能在一维的方向上运动。然后,科学家生生地截断电子的运动。我们知道,如果在体育馆的看台上拉上一根绳子,让人浪到这根绳子处就截止,就会出现一个人浪的“截面”。同样道理,当超导体里运动的波被截断时,在断裂的点位处,就出现了一些古怪的东西——半个电子和半个空穴的合体。这样一来,就出现了“准”马约拉纳粒子,它们既包含了部分电子,又包含了部分空穴。

  通过这个办法,2012年两位美国科学家宣称发现了“准”马约拉纳粒子的踪迹。遗憾的是,超导体中出现的“准”马约拉纳粒子还不稳定,他们还不敢最终断言。不过,理论上已经证明,“准”马约拉纳粒子存在是不成问题的。

  倘若在超导材料中找到了“准”马约拉纳粒子,那么我们就更有理由相信,真实的马约拉纳粒子在自然界中也应该存在。可能正是这个神秘家伙创造了现在的宇宙,它终于要露出它的真面目了。

  原创 大科技杂志社

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