文章图片
文章图片
文章图片
我们平时在看科学文献或者观看科幻电影时 ， 经常会看到反物质、暗物质这样的字眼 ， 之所以给它们冠名以“反”和“暗” ， 肯定是与组成我们现实的物质是不同的 ， 势必存在着它们各种特殊的特性 ， 以至于在现实世界中很难被发现和捕捉 。 那么 ， 反物质和暗物质有什么区别呢？
两种物质是如何发现的？
反物质的发现历程：在上世纪20年代的时候 ， 著名的物理学家狄拉克在研究氢原子的能级分布时 ， 将用来描述微观量子领域的薛定谔方程 ， 通过应用洛伦兹变换的方式 ， 与可以描述宇宙量级时空变化的相对论进行了完美结合 ， 形成了可以描述氢原子自旋-1/2粒子的波函数方程 ， 使微观粒子的运动同时遵守量子力学和狭义相对论的基本原理 。 然而 ， 这个公式推导出来之后 ， 人们发现了一个奇怪的问题：
【我们经常听说反物质和暗物质，这两种神秘的物质有什么区别？】
这个方程中出现了电子负能级的表达 ， 在这以前物理学领域中是闻所未闻的 。 因为从原子核外的运动来看 ， 其在没有施加外部能量的情况下 ， 会安稳地围绕原子核进行基态运转 ， 而施加一定的能量之后 ， 电子的能级就会发生跃迁 ， 跑到能级更高的轨道运动了 。 如果将基态电子看成能量的零级 ， 那么在跃迁之后 ， 就会相应地提升到一级、二级等上面去 。 而狄拉克方程中出现的负能级电子 ， 相当于既没有处在基态 ， 也没有处在正能级的跃迁轨道上 ， 而是隐藏在了一个负能级的轨道上 ， 基于此 ， 狄拉克预言了反电子的存在 ， 即带有正电荷、质量和电量与电子均相同的一种特殊粒子形态 。
后来 ， 许多科学家在实验过程中 ， 相继又发现了反质子、反中子、反氘核、反氢原子等微观粒子 ， 据此 ， 科学家们认为 ， 在这些反粒子的结合下 ， 有可能会组合成反物质 ， 这种物质的性质 ， 与由相对应的微观粒子组成的现实世界中的物质完全相反 。
暗物质的发现历程：上世纪30年代 ， 瑞士天文学家茨威基在研究后发座星系团时发现了一个奇怪的现象 ， 这个星系团内的天体运动速度 ， 要比通过引力数据理论上计算出的速度要快得多 。 在天文学的研究中 ， 科学家一般都是通过观测星系的运动速度 ， 来推算星体的总质量 ， 如果运动速度越快 ， 则代表所受到的引力场就越大 ， 说明星系团的总质量也越大 。 茨威基按照观测的这个速度反推星系团的总质量 ， 发现要比实际观测得出的数据高出几百倍 。 如果没有别的物质增加星系团的总质量的话 ， 那么天体的运动速度如此之快将会使整个星系彻底瓦解 。
基于这样的观测结果 ， 茨威基将这种可能存在星系团中隐藏的物体命名为暗物质 ， 由于当时观测和研究水平的限制 ， 在接下来的几十年中科学界并未对此进行过多的关注 。 直到上世纪60年代 ， 美国卡内基研究所在对邻近宇宙空间的漩涡星系进行旋转曲线研究时 ， 发现能够观测到的所有漩涡星系 ， 其外围恒星的旋转速度都过于快速 ， 而来自星系中心的引力不足以支持这个速度 ， 至少要有这个星系团至少6倍质量的其它物质 ， 来提供额外的引力束缚 ， 否则外围的恒星将在超出常规的快速旋转下被甩出星系 。
后来 ， 科学家们又对其它星系开展了相应的旋转曲线研究时 ， 也发现了同样的结果 ， 于是科学家们将提供额外引力的这个“看不见的手”正式命名为暗物质 。
两种物质有何特性
反物质的性质：从字面上理解 ， 正与反是相互对立的一组概念 ， 正所谓物极必反、一物降一物 ， 正粒子与反粒子 ， 正物质与反物质都属于这样的对立范畴 。 截至目前 ， 科学家们针对每一种现实世界中存在的基本粒子 ， 都找到了相应的反粒子 。
推荐阅读
- 寻找外星世界：1.25亿公里之外的一颗星球，数百公里深的地下海洋
- 细胞信号反应-扩散模型，已被用于预测生物膜中信号浓度的积累
- 物理学家认为他们终于破解了史蒂芬·霍金著名的黑洞悖论
- 视觉检测通常是主观的，并且发生在瞬间，因此很难在后期确认
- 反引力物质的正经科学
- 雪鸮这种动物有多厉害，你了解多少？
- 在一个新的会议中，物理学家缩小了困扰磁层科学的谜团。
- 宇宙的黑暗面：黑洞如何变得超大质量
- 登录 谁在背后安排了宇宙的一切？爱因斯坦和杨振宁的怀疑也许是对的