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和核物理研究者讨论暗物质给出的猜想--被他们定义为“民科”
热度 3 dxniu 2011-4-19 14:46
对暗物质的理解是从对物质基本构成的理解延伸过来的。 我们认定的实物总能分解到基本的正物质和反物质，常识无数次提醒我们所有实物都有始有终，包括我们的宇宙。无中生有的最佳模式是0=（-1）+（+1），最佳图示就是八卦的阴阳鱼：无极生两仪。但是同一种物质条件下，没有区别，没有参照，有也是无；再看图示，原来你中有我，我中有你，正区间（副区间）中的微量反物质可以在局部形成正反物质湮灭的对抗，我们熟悉的动能和势能对抗的形式出现了，因此有了实物，有了位置，有了相对运动，有了我们可见的世界。而那些没有参与结合和运动的大多数正物质成为了静默的空间背景，被称为“暗物质”。但绝对不是不可探测的，如果能够将反物质投射到暗物质空间，可以激发很多新的正反物质作用形式（原反物质解体前提下），也就是大家所熟悉的各种微粒子（大家是不是可以在反物质的湮灭形式中总结出一些有益的规律？）。 按照这个观点发展下去，平行宇宙一定存在，我们的宇宙也一定会衰减灭亡。将来人类科学的方向就是：寻找新的星球-寻找新的星系-寻找新的宇宙，原因就是旧的已经无法居住，无论如何改良也没法阻止。 如果科学的发展跟不上自然的脚步，人类的物种就会被自然淘汰。 所以真正推动人类文明的不是那些到处挖石油的有钱人，而是核物理的研究工作者^_^. （最后一句本来是要拍个马屁，结果还是没能取悦人家）
个人分类: 科学思考|3201 次阅读|3 个评论
反物质有了直接证据
kexuechuanbo 2011-1-24 18:50
2011年1月1日，美国航天局科学家用伽马射线望远镜发现了雷暴爆炸产生的反物质云。据估计，全球每天发生约500次以上的伽马射线闪光，但大多未被观察到，也未引起注意，因此是反物质粒子束的第一个直接证据。这提供了有关反物质宇宙与我们的宇宙共存的证据。 反物质是英国物理学家保罗-狄拉克于1931年首次提出的。反物质是普通物质的“镜像”。普通物质的原子由带正电荷的原子核和环绕原子运行的电子组成，而反物质原子与之恰恰相反，原子的原子核带负电荷，电子带正电荷。物质与反物质一经相遇就会相互湮灭，并释放出一股能量。
个人分类: 期刊传播史论1|2970 次阅读|0 个评论
反物质是神马
热度 1 songshuhui 2011-1-18 13:17
Sheldon 发表于 2011-01-18 12:07 在许多人心目中，科学发现是一个不断创新，不断打破传统观念的过程。只有推翻一个旧理论，我们才能创建一个新理论。比如世界上的反动学术权威普遍认为，公羊不能下蛋，母鸡无法产奶；我们就不信邪，大胆的提出公羊也能下蛋，母鸡亦可产奶的伟大假说，彻底推翻了束缚了人们上万年的旧理论，为科学的飞跃式发展指明了方向。 以上的发现不是科学，是幻觉。 那么，真实的科学发现，尤其是那些匪夷所思的科学发现又是怎样产生的呢？比如说反物质神马的，最神奇了，和物质碰在一起就会湮灭，变成高能辐射。这难道不是科学家推翻了传统的物质理论之后发现的吗？如果物质可以反，那么会不会也有反能量，反空间，反时间，反宇宙呢？这事要想说清楚，还得从相对论开始。 反物质是相对论下的蛋 说起爱因斯坦的相对论，大家实在是太熟悉了，光速不变，钟慢尺缩，双生子佯谬，隧道跑火车，可谓科学界的唐诗三百首，令人“不会作诗也会吟”。除此之外，相对论的又一大贡献是发现了质能守恒定律： 有了它，人们才弄明白万物生长靠太阳，太阳发光靠mc平方；有了它，人们才懂得利用核能；也正是有了它，狄拉克在1928年才发现了自然界存在着反物质。 质能守恒定律为什么能预言反物质的存在呢？让我们先从一个简单的例子来理解一下它的意义。如果你还记得高一物理，一定还对牛顿力学中物体的动能公式有印象： 这里E_k是物体的动能，m是质量，v是速度。换一种更一般的写法就是， 其中p=mv是物体的动量。1926年，奥地利籍物理学家薛定谔，将量子的波动性思想和后一个版本的能量表达式结合起来，发现了薛定谔方程——量子力学量力学，从此物理专业的大学生又多了一门考不过的课程 。 这样想想科学发现好像也不太难吗！你看这么简单的公式，往量子力学一应用，就是一套学问，这我也会， 慢着，如果物理学真有这么简单，那么人人都能拿诺贝尔奖了。实际上，我们高中学过的那套公式是牛顿力学中唯一正确的动能表达式，其他说法中所谓的“能量”并不守恒。不守恒的能量有如“屠龙之术”，世界上又没有龙，屠不屠龙没什么意义。 在相对论力学中，动能，动量和（静）质量的关系有点儿复杂， 不知道大家看出来没有，和牛顿力学相比，这里的能量多了一个平方号，成了一个二次方程（其中c是光速）。如果你还记得初二数学，会想起二次方程有两个解。把上面的方程移项，开平方，得到关于能量的解应该是正负两个！能量怎么会有负的呢？恭喜你，已经接近反物质啦！ 和牛顿力学一样，上式的能量定义是狭义相对论中的唯一正确的守恒能量，大家不需要再去做别的尝试。我们常见的mc平方的表达式正是本式的简化版本。1927年到1928年间，英国物理学家狄拉克受到薛定谔方程的启发，也打算把这个能量公式应用到量子力学中去，看看能得到什么。这个想法实现起来极其困难，因为能量、动量在量子力学中是一堆微分算符，怎样让算符开根号呢？狄拉克天才地把微分算符开了根号——不服的话不妨试试看，保证泪流满面——得到了相对论性的量子力学方程（或场方程），就是狄拉克方程。在狄拉克之前一定有人想过这样试试，但是只动嘴皮子没有用。仅仅有想法不能算科学发现，只有找到人们从未发现的，支持自己想法的证据，或者说可以被验证的结论，例如方程，方程的解，对现象的预言等等，才能算作科学发现。 狄拉克方程是一个伟大的科学发现。正如相对论性的能量方程，狄拉克方程也有正负两个能量的解。那么，负能解会不会像“屠龙之术”一样，毫无意义呢？或许有人这么想过，但天才狄拉克有更加奇妙的想法（其中还有奥本海默和外尔的贡献 ）： 如果把真空看作是负能态被电子填满的海洋，此时若有一个占据能量态为负E的电子从海洋跳出来，那么海洋之中就少了一个带负电荷e的负能电子，多出来一个负能的空穴。如果反过来看，少了一个负的等于多了一个正的，就等效于真空海洋中多出来一个能量为E，带有正电荷e的反粒子。 于是，狄拉克方程做出了一个可以被验证的预言：自然界中存在电子的反物质，它的质量和电子相同，电荷和电子相反。1932年，美国物理学家安德森（Carl Anderson）在对宇宙射线的研究中发现了正电子的存在。因此，狄拉克和薛定谔分享了1933年的诺贝尔物理学奖，安德森和它的合作者分享了1936年的诺贝尔物理学奖。 云室里看到的正电子“轨迹” 随着量子场论的发展，人们不断的从实验中发现各种基本粒子对应的反物质——每一种都是某种已知基本粒子的“镜像”，除了质量相同外，其他量子性质完全相反（有些粒子的反粒子就是它自身）——无一不是由相对论性的量子场论方程所预言的。“电子海”的物理解释由于其局限性渐渐不常被人们使用，“负能量”的疑惑可以被更加完备的量子场论所自洽的解释，我们暂时不表。 可见，追根溯源，反物质就是相对论下的一个蛋。没有相对论，就没有相对论性的狄拉克方程，也就没有对反物质的预言。且不说相对论所预言的其他现象已被验证，量子场论预言的基本粒子包括对应的反粒子也被一个接着一个的找到。最值得一提的是，场论标准模型中的不同方法对精细结构常数的实验测量的差异小于一亿分之一 ，这意味着相对论下了一个极为成功的蛋。现在还有些人号称用一百零一种方法推导出相对论是错的。我看就算用一亿种方法也白搭，公羊会不会下蛋，母鸡能不能产奶，要用实验说了算。 实验才是检验理论的唯一标准 。搞物理不能只动嘴皮子忽悠，还要动脑做计算；不但要动脑做计算，还要动手做实验。除此之外，唱的再好听，画的再好看，都是扯淡。 相对论没反物质不行 相对论辛辛苦苦下了一个蛋，那么这个蛋能孵出来相对论吗？答案是能！ 在相对论性的量子力学，或者更完备的量子场论当中，有一件事必须搞清楚，那就是这个理论中有没有超光速的现象？我们知道量子力学当中有很多神奇的现象，比如上帝掷骰子，量子纠缠，隧穿效应等等，保不准又弄出来超光速的话，相对论不是就完蛋了吗？物理学家一计算，发现这回事还真没那么简单。 在量子场论中，粒子并没有固定的轨道，它只能从一个位置“跃迁”到另一个位置。按照相对论，太阳光到达地球需要八分钟。如果太阳那里产生一个粒子，在八分钟内，它“跃迁”到地球的概率应该为0，或者说它对地球的任何影响都是0。如果不考虑反物质，物理学家计算的结果是，这样的影响虽然非常小，但不是0，这样就违反了相对论。但考虑到量子场中既有物质又有反物质，而且物质粒子和反物质粒子的种类是一一对应的话，那么二者造成的“超光速”影响正好完全抵消，最后的结果就会支持相对论。所以，相对论下的蛋，最后又孵出了相对论。完全自洽。 那么可能有人要问，量子场论为什么一定要支持相对论呢？各说各话，各找各妈不行吗？除了量子场论来自相对论这个自洽性问题外，这里还涉及到物理学的基本定律和演生（emergent）现象的关系。打个比方，《黑客帝国》中的Neo可以在Matrix构建的世界中腾云驾雾，从Matrix出来以后就不行了。这是因为，Matrix的世界是建立在计算机0和1的逻辑运算基础上的，演生出来的世界可以由0和1组成的程序构造，但计算机和Neo本身要受到物理学基本定律的限制。同样的道理，我们的宏观世界是由基本粒子构成的，许多宏观现象，例如颜色，软硬，强度，思想，情绪，生死都是由基本粒子的相互作用演生出来的 （这里的演生和Matrix的虚拟世界不一样），并不一定是物理学的基本定律。相比经典物理学，描述微观世界的量子物理的规律更加基本。人们发现了反物质，并可以构造自洽的相对论性量子场论，说明至少在目前的阶段，相对论不仅仅可以描述演生的宏观世界，还可以描述基本的量子世界。相对论是一个自洽的物理学基本理论。 相对论无法被“推翻”吗？ 回到开头的问题，如果物质可以反，那么会不会也有反能量，反空间，反时间，反宇宙呢？根据奥卡姆剃刀原则，答案是没有，因为相对论性的方程没有出现这样的解。有人要反对了，暗物质，暗能量也不是相对论性的方程的解，宇宙学观测不也支持它们的存在吗？的确如此，目前的物理学理论没有办法解释暗物质和暗能量的存在。因此，为了解释观察到的现象，人们必须修改现有的物理学理论，其中可能包括相对论。然而修改归修改，在一定条件下，必须退回到相对论来——正如在一定近似条件下，狄拉克方程可以退回到薛定谔方程，狭义相对论可以退回到经典力学中，广义相对论也可以退回到牛顿引力。例如在谈到黑洞蒸发的信息丢失问题时，弦论学家泡钦斯基说过（见《 黑洞出来混，迟早要还的 》）：“因此，量子引力是全息的，它的自由度是非局域的，而（经典引力的）时空局域性是演生出的。”其中的时空局域性可以狭义的理解为信号不能超光速，可见他说的正是这个意思。 总而言之，公羊不能下蛋，母鸡不会产奶，相对论不可推翻，科学不是扯淡。科学发现需要创新思维，打破传统观念，这确实是我们做的不够的一个方面。但并不是任何打破传统的行为都是创新。作为成年人，我们都必须先调查清楚整个事情的来龙去脉，哪些是假说，哪些是事实，而不是口若悬河凭空杜撰，指鹿为马坐井观天。如果回过头去看看每一次科学进步，具体到其中的每个当事人身上，我们会发现，除了创新之外，更多的还有传承。 全诗为“量子力学量力学，实变函数学十遍，随机过程随机过，汇编语言不会编”，作者不详。量子力学的独立发明者还有海森堡。 详情见http://en.wikipedia.org/wiki/Dirac_sea 详情见http://en.wikipedia.org/wiki/Precision_tests_of_QED 看这里http://en.wikipedia.org/wiki/Emergence 会有更形象的了解 您也可能喜欢： 天生轻信 【亲历“世界最大科学实验”】一、 抓住“反物质” 关于暗物质我们究竟知道些什么？ 首次成功制造并“抓住”反物质原子 洗头水里都有什么化学物质？ 无觅
个人分类: 物理|971 次阅读|1 个评论
爱丁堡艺术节2010之三十二：宇宙大爆炸的前前后后
热度 2 newlight 2011-1-17 21:55
Frank Close Ian Sample The God of Exceptionally Small Things Edinburgh International Book Festival Saturday 28 August 4:00-5:00pm ***/5 Frank Close 是量子物理学家、牛津大学教授，还是一位科普作家，他的新书 Antimatter 讲的是神秘的“反物质”(antimatter)。Ian Sample 是《卫报》的科学记者，他的新书 Massive 是一部科学历史书，追述所谓 God Particle 的发现过程。两位的特长是能把复杂的科学假说和枯燥的科学历史讲得井井有条，栩栩如生。 根据我们已经拥有的知识，在宇宙大爆炸的一瞬间，巨大的能量同时转化为物质(matter)和反物质(antimatter)，我们都是由物质组 成，物质如果遇到与之相对的反物质，将会导致两者同时消失，同时释放巨大量能。然而大爆炸之后产生了等量的物质和反物质之后，反物质就不见了，Frank Close 说科学家们无法解释那些反物质去哪儿了。反物质并不神秘，欧洲量子物理实验室(CERN)就在制造反物质，这就是丹•布朗的《天使与魔鬼》的基础了。但是 Frank Close 指出，这里面的数字是很重要的，20克反物质氢离子就有一颗原子弹的能量这是没错，但是目前CERN每小时能制造2000个反物质氢离子，假设能提高到每 秒2百万个，要生产20克得花100亿年，用量子物理学们的语言，这是“not trivial”，即不可能实现的。即使等得起，生产这么多反物质所需要的能量也早就超过一颗原子量的能量了。 Ian Sample 的新书 Massive 是一部科学历史书，也是一本科普读物。所谓的 God Particle 是媒体给的名字，量子物理界被称为 Higgs Boson，其中的 Higgs 就是爱丁堡大学的荣休教授 Peter Higgs了，Ian Sample 讲述了他第一次来到爱丁堡采访 Peter Higgs 的故事。当然这个 Higgs Boson 的发现者其实同时有好几个，Ian Sample 一一追踪了这些科学家的故事。Higgs Boson 被认为在宇宙大爆炸初期出现，但从没有找到过。2008 CERN在日内瓦建造的地下环形加速器LHC第一次启动，吸引了大批媒体的关注，就是因为用这台加速器能在找到所谓的 God Particle。 这场讲座的提问中，最有意思的是一个哲学问题：大爆炸是怎么发生的？在大爆炸之前有什 么？Frank Close 给了比较清晰的回答：大爆炸之后出现了时间、物质和我们所知道的一切物理规律，所谓大爆炸，是在这一点之后，人类可以理解在宇宙中发生了什么，在这之前的 一切，我们目前无法理解。而且要知道所谓“之前”、“之后”是时间概念，这一概念只有在大爆炸之后才有，大爆炸并不是在一个线性的时间轴上的某一点，可以 说是时间的起点，起点“之前”是什么我们不知道。 恰好今天英国量子物理学家霍金(Stephen Hawking)发表 “宇宙大爆炸不需要上帝” 的言论，其实是他的新书 The Grand Design 的 宣传。上面 Frank Close 给出的宇宙爆炸的解释，是现在普遍接受的观点。但是大爆炸如何发生，科学和宗教都有解释空间，宗教人士可以说是上帝(广义的上帝、一种超级的存在)引发了 宇宙大爆炸，科学家们则推出了多种理论试图解释，string theory是其中之一，霍金认为，在 string theory 基础上产生的 M theory，已经足以解释宇宙大爆炸的发生，所以就不需要用上帝来解释了。当然这只是一种假说，不是所有的量子物理学家们都同意这种解释。
个人分类: 科学与时事|3637 次阅读|0 个评论
[转载]科学家首次找到直接证据：雷暴会向太空抛洒反物质
rumford908 2011-1-14 12:47
据英国《每日邮报》1月11日的报道，美国国家航空航天局（NASA）的科学家近日发现了一项直接证据，其可以证明地球上的雷暴会向太空抛洒反物质云。 　　研究人员是通过费米伽玛射线太空望远镜发现这一现象的。虽然费米望远镜看不到雷暴，但是它能感受到它的磁力作用。当雷暴内部的反物质能量被排出时，接近光速的高能量电子被空气分子阻挡，因而会放出伽玛射线，即所谓的陆地伽马射线闪光（TGFs）。TGF引发的高速电子和正电子会在在地球磁场的作用下飞向望远镜，从而被观测到。 　　美国阿拉巴马大学费米实验室伽玛射线探测团队的迈克尔布尔格斯参与了这项研究，他表示，这些探测信号首次直接证明了雷暴能制造反物质粒子束。研究者们认为，在合适情况下，足够强的电场会让电子如雪崩一样奔涌出来。 　　尽管费米望远镜是用来观测宇宙中的高能粒子，但它同样可以为某些奇异的科学现象提供有价值的线索。自2008年发射升空以来，费米望远镜已经观测到了130次TGF现象。美国宇航局总部费米项目的科学家伊兰娜哈里斯称：虽然在轨道上的运行时间还不到三年，但费米望远镜用自身表现证明了它是观测宇宙的有利工具。 　　据估测全世界每天大概有500次TGF现象产生，但是大部分都未被观测到。在此之前，从来没有科学家对此进行过研究，研究者希望这项研究能最终让更多的人相信，在我们这个世界之外还存在一个完全由反物质构成的世界。 　　　 （来源：中国日报网 译言 编辑：北风)
个人分类: 生活点滴|2263 次阅读|4 个评论
关于暗物质问题的哲学思考
热度 2 nipy 2010-12-23 23:05
关于暗物质问题的哲学思考 最近看到央视报导：中国首个极深地下实验室中国锦屏地下实验室于2010年12月12日在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台，能够自主开展像 暗物质 探测这样的国际最前沿的基础研究课题。目前，清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室，并启动探测工作，而明年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。 根据这一报导，我对暗物质及相关的暗能量、反物质等概念和研究动态做了一些粗略的跟踪了解，引发一些哲学层面的思考，与科学网上朋友共同探讨： 物质究竟是什么？暗物质是不是物质？ 从哲学层面上看，物质的概念是 不依赖于人意识的客观存在 ，它强调的是所有物质都是 客观存在 的共性；科学层面的物质概念则是要研究客观物质世界中各种具体事物的千差万别，了解具体事物客观存在的具体形态，事物可以理解为具有不同属性的具体物质。 人类通过自己的 自然信息功能和各种科学实验方法 逐步认识了客观物质世界中各种不同事物存在的不同形态。例如，我们通过各种化学分析和实验方法认识了由各种不同化学元素构成的化学类物质存在；我们也通过各种物理分析和探测方法认识了包括波、场和粒子形态的各种物理类物质存在。最近一些天文科学家提出了一个令人吃惊的看法：认为我们现在已经认识到的物质只占宇宙中物质总量的4%，其余96%实际存在的物质只是我们用现有化学、物理手段无法探测和发现的物质，因此称为暗物质。暗物质的一个重要属性是：它自己不发光，也不对任何光产生反射或折射，所以人们长期没有发现它。这里光是指广义的光，包括各个频段的电磁波。 这种情况，从哲学层面认识论的角度看也是可以理解的，因为人对客观世界的认识，由于人认识能力和科学技术水平的局限性，是一个逐步认识、反复提高的无限过程，我们对已知物质形态的认识，也是经历这个认识过程的。所以暗物质应该也是一种客观存在的物质，是一种可能与现有已知物质属性很不相同的，我们现在还未认识清楚的物质。 表征物质客观存在的本质属性是什么？能量？ 在客观世界所有各种具有不同属性的具体事物中，是否存在一种能够表征其客观存在的最本质的共同属性？这个问题可能会有争论或不同答案，如运动、能量、质量、时空等，我考虑的答案是： 能量 。因为能量作为物质作功的能力，是物质运动和相互作用的根本内因，事物其他的各种属性都是该事物能量属性派生的或与能量属性有关的，质量被认为是能量的特殊形式，是内敛的能量。 纵观我们已知的各种各样物理类或化学类的物质属性，它们可能有非常不同的形态、结构和运动方式，物理类物质可能没有化学类物质那种元素结构和化学反应属性；化学类物质也可能没有物理类物质那种场、波或粒子性属性，但它们都必定有各自的能量属性，虽然它们能量的大小和性质可能很不相同。 任何事物，只要它具有某种能量，就有可能通过运动或力与其他事物产生相互作用，而事物之间相互作用、相互联系又是产生系统和系统结构的基本条件，而这也是世界万物形成、发展和变化的基础。 事物之间由能量产生的相互作用还是产生信息的基础和条件 ， 因为事物之间只有通过相互作用才能使一事物的属性在另一事物的属性变化中反映出来，也即产生了反映这一事物属性的信息。所以，某种事物的客观存在，实际上总是通过在与其他事物相互作用中产生的信息来传递和表征的。我们看到的世界万物，包括宇宙空间的太阳、月亮和各种星星，不都是通过光与这些事物的相互作用而把它们客观存在的信息传递给我们的吗？即使我们肉眼看不到东西，我们也可以通过各种无线电波，射线的探测而知道它的存在。 很难想象，如果有一个没有能量的事物，它与其他事物没有任何联系和相互作用，是如何存在的。除非是人意识中主观臆想的上帝或神。 暗物质是如何被发现的？暗物质存在的信息 据报导，暗物质首先是天文学家和宇宙学家们在观察和研究宇宙这一宏观大世界中发现的，他们在观察宇宙大星云结构状态和运动速度中发现，有许多现象与宇宙中已知星球质量、能量和星球间引力关系计算结果很不相符，由此推断宇宙中应该还存在一种我们还看不到的暗物质在对宇宙星云的结构状态产生影响和干扰，甚至在某种程度上控制和主导着宇宙。也就是说，暗物质虽然不发光也不反射光，但仍具有一种特殊的能量属性以一种我们目前还不太清楚的方式（力？）作用于已知星球（明物质），通过明物质属性变化来传递某种暗物质客观存在的信息。 在宏观宇宙世界发现暗物质的启示下，科学家们开始探寻在微观粒子世界中是否也存在暗物质的可能？中国锦屏地下实验室正是为了在微观粒子世界中探测暗物质而建立的。为什么要在深地下环境探测暗物质？这是因为在上千米的地下深洞环境中，隔断了宇宙空间产生的各种光、电磁波和射线的作用和影响，科学家假设，暗物质在微观世界也是一种粒子形态，如果创造一些激发粒子碰撞的条件，有可能发现与已知粒子（明物质）碰撞不同的信息从而发现暗物质的踪迹。换句话说，在某种特殊环境和条件下，有可能通过已知粒子异常的反应来获得暗粒子存在的信息。 总之，暗物质虽然不发射光也不反射光因而不易被人发现，但只要它是具有一定能量属性的物质，它总可能通过与已知明物质的相互作用而通过明物质属性变化传递出它存在的信息。当然，这可能要创造一些特殊条件和使用一些特殊探测和观察方法。 对暗物质与暗能量关系的质疑 在百度百科关于暗物质概念说明中有这样一段话： 我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4％，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的 暗能量 。 这种说法明显地表明暗物质与暗能量是并列的两种不同的客观存在，它也可直接演译为：物质与能量是两种不同的客观存在。百度百科对于能量概念说明中也指出： 能量是一种客观存在，自然界的万物都是他的表现形式。 似乎也是这个意思。我认为，这种把能量和物质并列为客观存在的观点是很值得商权的。 首先还是从哲学层面上看， 物质是独立于意识以外的客观存在 已是一个非常明确的最基本的哲学概念，现在又引入一个能量的客观存在，如果说它是不同于物质的客观存在，那么它们的区别在那儿？如果说它是相同于物质的客观存在，即能量与物质是同义语，这有什么意义？ 其次从科学层面上看，我们研究各种具体事物的属性以具体了解和认识客观物质世界，各种不同事物的客观存在正是通过它们不同的属性来表征的，但事物的属性不能等同于事物本身，事物的属性是依附于它所表征的事物而存在的。能量虽然是表征各种事物客观存在的一种重要本质属性，但它仍然属于属性范畴，能量的客观存在仍然是依附于物质的客观存在，而不是独立于物质以外的另一种客观存在，能量不能等同于物质，也不应是另一种物质。 再从发现所谓暗能量的情况来看，科学家们观察到我们宇宙加速膨胀的现象似与已知星球之间引力作用应使宇宙膨胀减速的常理不同，因而推测可能存在一种与我们已知能量性质不同，能产生相反引力（负压力）的暗能量，即使如此，这种暗能量应该也是一种依附于某种暗物质的特殊的能量属性，而不应是另一种独立于物质存在的存在。虽然具有暗能量属性的暗物质，可能与我们前面讨论的看不见的暗物质的属性并不相同，但仍然应是我们目前还没有认识清楚的物质。说宇宙是由明物质、暗物质和暗能量三部分组成的说法，不太科学。 现在还有一种多宇宙中心的观点，如果这种假设成立，那么我们所在的这个宇宙加速膨胀的现象，有可能是受另一个质量、能量更大的宇宙对我们吸引的结果？那么存在具有负引力的暗能量的推测可能并不正确。 关于反物质概念的质疑 近代粒子物理学研究中，已经发现了带正电的电子、带负电的质子与自旋方向相反的中子，由于这些新发现的粒子与已知基本粒子具有相反的基本属性，被称为反粒子。人们由此推测，在宇宙宏观世界中是否可能存在完全由反粒子组成的物质，并把它称为反物质。 在科学发展道路上，我们不断发现或预测一些与已知事物属性很不相同的新事物，这是科学的进步，也是我们对客观物质世界认识的不断深入，但任何新事物都不应违背物质是具有某种能量的客观存在这一基本概念，反粒子与反物质的提法值得商权。 反粒子是从正电子、负质子和反自旋方向的中子引伸概括的称谓，其实粒子带电荷性质和运动方式似乎并非粒子最本质的属性，粒子的本质共性应该是具有一定质能的粒子性，反粒子很可能被误解为非粒子的，或与粒子本质属性相反的东西。 既然有反粒子物质客观存在，推测有反粒子组成的某种新的物质存在，应该说也是可能的，但把它称为反物质似乎更不妥当，因为反物质更容易被理解为非物质或与物质本质属性相反的东西，物质最本质的属性是具有一定质能的客观存在，反物质难道是没有质能的存在或者是非客观存在的物质？对反物质可能还有一种解释：反物质是具有反能量的物质，反能量是指具有与普通能量相反属性的能量：做负功？产生负压？反引力？这似乎与前面提到的暗能量概念相似，而与由反粒子组成的反物质的概念似又不同？ 物质、暗物质与反物质、能量、暗能量与反能量这些重要的基础概念确实值得我们从哲学层面和科学层面做进一步的疏理和分析，我们对客观物质世界的认识，可能还有很长的、无止境的路要走，但随着科学技术和人的智能的发展，我们也总可以逐步逼近客观实际。 以上个人观点，欢迎批评讨沦！ 相关链接： * 试对物质进行分类分析 * 关于信息与物质关系的哲学思考 * 物质、能量、信息关系的辩析 * 关于物质、属性、结构与信息关系问题再讨论
个人分类: 哲学思考|3274 次阅读|1 个评论
开愽闲话与“太阳中微子问题与反物质催化核聚变”
shujie100 2010-12-13 18:14
开 愽 闲话 愽 主我退休己十多年了，本来平时就好标新立异，退下来有了时间，加之其它种种原因，就陆续的写了一些东西。由于是标新立异或可以说是离经叛道的东西，当然是不会被主流承认的，更可能被学者、专家、权威们所不耻，由此只能一直放在一边。 标新立异的东西未必就是正确的，或可能大多数是不正确的。但认识的正确与否并不是那个人说了算的，是靠人的实践来证明的。由此只要其本身自恰并合乎逻辑，就应当拿出来大家一起讨论，至少可以作为抛砖引玉，而设法设计实验证实或证伪才是正确的。但遗憾的是现实没有这种条件，几经寻找才觉得网上的 愽 客可能是一种出路。由此才申请开 愽 。 本 愽 主讨论 的问题都是自然科学方面的问题，并不涉及其它。这些问题有些还是五十年前上大学时在未名湖畔百思不得其解的问题，有些则是对后来当时一些所谓的热点问题的思考，但大多异于当前的理论，而当前的一些理论甚或是权威的、正统的。现在对这些问题己思考到一定程度，拿出来晒一晒，作为抛砖引玉而，或可能对后来人有点作用。 人总是有联想的，尽管是自然科学方面的问题，也可能联想到其它，历史上这类的事并不鲜见的。由于本人己不再靠这些来提职称，也不靠其吃饭，年龄大了脸皮自然也就厚了，更不怕人说三道四，可安心静候各种言词和议论了。只所以如此为，只是图个乐而己。 到此闲话打住，开 愽 。 下面首先想谈的是关于催化核变聚的问题。这是在上世纪九十年代全世界曾掀起的冷聚变热潮时，本人曾在大自然探索（1997年.2期）上发表了一篇太阳中微子亏损与催化核聚变的文章，其中提出了反质子催化核聚变。而后又经过思考进一步提出反物质催化核变聚。下面就是这篇东西。同时为了便于阅读，将在大自然探索上发表的文章附在后面（其中将发表时压缩掉的一小部分按全文补全）。 太阳中微子问题与反物质催化核聚变 关于太阳中微子亏损的问题，已在十几年前写的太阳中微子亏损与催化核聚变 一文中有所阐述。其中对太阳中微子亏损的原因提出了标新立异的想法，认为亏损的约三分之一中微子本来就是不存在的，而太阳能量约有二分之一是由正、反物质湮灭反应所提供的，且太阳上所进行的核聚变反应是由反质子催化而进行的。在文中也曾对反质子催化核聚变过程进行了一定的分析。 但总的想来反质子在太阳这样存在大量氢的恒星上寿命是不会很长的，由此所能催化的核聚变数量也不会很多。而恒星向外辐射的能量却是巨大的。由此是否还应有其它的反应过程存在，就值得再仔细考虑了。 实际上太阳中微子问题并不仅仅是中微子亏损，还有太阳中微子与太阳的活动相关这一实验事实等其它问题。实验测得的太阳中微子流与太阳的活动周期相关， Homsetake 小组报告了太阳中微子数量与太阳黑子活动为逆相关关系。即太阳活动低潮期可测量到高通量的中微子,太阳活动峰期只能测到少量的中微子。如1980年太阳活动峰年,太阳中微子流测量值几乎减少到零,接着随太阳活动的减弱中微子流测量值缓慢递增,直到太阳活动低年的1986年,中微子流测量值达到峰值4.2SNU,而到1988年夏季太阳黑子数又开始增加,中微子测量值又跌到1SNU。由此解决太阳中微子问题就不能只是对太阳中微子亏损提出解释，而是应对太阳中微子的所有问题都有一个比较圆 满的交待 。 最近有人认为太阳中微子亏损就是中微子振荡的结果，似乎还认为有了实验证据。但中微子振荡却不能解释为什么太阳中微子会与太阳活动有关。由此也从另一方面表明太阳中微子亏损最大可能是由太阳本 身的物质运动形式决定的。 正、反物质的湮灭反应是有条件的，既正、反物质湮灭只能是在正、反基本粒子间才能进行，而非基本粒子的正、反物质状态，只有在其分解成基本粒子后，才能湮灭。但现在已清楚的知道，由基本粒子组成原子核，是要释放能量的，即基本粒子组成原子核有结合能，各基本粒子是处在一个很深的位阱中。由此要想使组成原子核的各基本粒子分解成独立的粒子，则要给其很大的能量才能实现。比如氧原子核，其核子的结合能约8MeV，由此要想使组成氧原子核的质子与中子完全分解成独立的粒子，则要给每个核子提供8MeV以上的能量，总计要一下提供128MeV以上的能量，才能使氧原子核分解成质子、中子。对其它反原子核也是如此。如要使反氧原子核分解成反质子与反中子的基本粒子，这时的物质温度必须达到1.510 12 K 以上。这在星球上是很难达到的，即任何星球温度都不可能达到如此高（太阳表面温度只为6.010 3 K ，与之差八个多量级）。由此恒星上反物质原子核的分解实际上都是通过一定的核反应完成的。实际上只有反质子才可能与氢核湮灭，反中子由于是不稳定粒子，通过衰变成反质子（反中子衰变成反质子、反电子及中微子），而后再与氢核湮灭，或通过反中子的核反应而消失。 太阳的活动过程基本上是太阳物质由引力收缩与核反应释放能量使之膨胀的矛盾斗争平衡过程。当恒星上的核反应速度减小时，释放出的能量也就相应变少，恒星物质就会由引力而收缩，这时恒星内物质的压力就会增加，造成恒星内部物质运动的变化，从而使恒星内部的一些反物质原子核向外涌出（如地球上的火山爆发），使恒星表面反物质数量开始增多，从而增加了催化剂反物质核的增加，使恒星核反应速度加快，产生的能量增加，这时又可能使恒星膨胀。但随着反物质催化核的逐渐减少，核反应数又会逐渐减少，从而又进入了下一个矛盾循环。 设想反物质催化核聚变的过程可能是这样的。由于反物质原子的核外电子是基本粒子正电子，在太阳外层其不可能在反原子核外存在很久，马上就可能与星球上的电子湮灭，反原子只能是裸反原子核，其核外电子轨道上则变成了空的，由此就可能在其外的电子轨道上俘获质子（氢核）。如此反炭核可在外层电子轨道（应当是六个正电子）上俘获了六个质子，形成了一种特异反原子，这不仅会使核外质子所处的轨道半径变小，振动能增加， 同时 在外层电子轨道的质子又向内层轨道跃迁，使得质子间距离更小，从而催化了质子（氢）的聚变反应。同样其它的反物质原子核也有这种类似的催化核聚变作用。其作用皆为反物质原子核俘获质子，而使质子间达到发生聚变反应的距离，从而催化核聚变。 这样太阳（恒星）上的聚变核反应就主要不是由温度决定的，而主要应当是由反物质催化核聚变决定的。其中中子的核反应起了决定性的作用。因为中子不带电，极易进入原子核中，也就极易使原子核发生反应，从而就使恒星上的核反应能持续的进行下去。 设想的反物质催化核反应过程为： 　　　　 其中反物质催化核聚变过程与现在所谓的质子－质子循环是相同的，但这时却增加了最易实现的D－D、D－T产生中子的两种聚变反应，这时由于中子不带电，很易进入反原子核，从而引发了原子核裂变，产生了反中子，其中k为裂变产生的反中子系数，其中k=0,1,2 ， 由于中子与反原子核内的反中子发生湮灭反应会释放出巨大的能量（1876.5MeV），足以使任何原子核发生爆裂，从而也就使大原子核分裂成较小原子核，而反中子又极易进入原子核，同样会使原子核发生爆裂，这样的结果也就使这种反应过程可持续进行下去，直至反物质被完全消耗完。这种过程即是恒星上重原子核产生的过程，同时也是重原子核分裂的过程，恒星上物质的变化过程就是在这复杂矛盾的斗争中进行的，这样归根结底恒星辐射的能量实际上都是反、正物质湮灭的结果，但具体的过程则表现有近一半是氢核聚变反应提供的，由此才有中微子产生。 这种过程在太阳上也是同样的。由此只要观测太阳风就可能发现反原子核，尤其是观测太阳黑子或太阳耀斑的喷射物，更有可能发现较多的反物质原子核。 催化太阳核聚变的反物质并不会一直存在下去的，同样也会逐渐消耗。这是因为其一量子力学的遂道效应在起作用。原子核虽存在很深的核位阱，但由量子力学的遂道效应，因为太阳上存在有大量氢原子核的质子，不可能不通过遂道效应进入反原子核中（尽管其概率很小，但由于核数多，其结果也是可观的），从而与反物质核内的反质子湮灭，而使反原子核最终爆裂直至完全湮灭；其二则可能由于中子核反应的存在，可能使反物质原子核爆裂分解成反物质基本粒子，从而湮灭。这种反应中的中子不仅有由聚变反应过程中可能产生的中子，同时由于正、反物质湮灭时会放出高能射线，而高能射线也可能与物质原子核相互作用，可能产生中子（光激中子）。由于中子不是荷电粒子，其不会受核位阱的影响，极易进入反原子核中，从而使进入原子核的中子与反原子核中的反中子发生湮灭，也就使反物质原子核瓦解，最终完全湮灭。 这样，太阳上反物质催化核聚变随着反物质的减少而逐渐减缓，产生的能量逐渐减少，从而使太阳引力作用逐渐占上风，再次打破太阳上的矛盾平衡，进入了又一次的循环。即太阳内部部分反物质又会涌出，进入下一循环。太阳活动周期则是这种循环的表现。 也就是说，太阳（恒星）上的核聚变反应是由反物质催化的，这样催化的反物质原子多，氢核聚变反应也就多，而一旦反物质原子逐渐变少，其反应也就逐渐变慢。但氢核聚变反应释放出的能量终归要比正、反物质湮灭所放出的能量少，由此在氢核聚变反应起主导作用时，反倒是恒星活动的低潮期，这时会出现两种情况，一为这时由于活动释放出的能量相对逐渐减少，则会使恒星活动中引力逐渐起主要作用，即恒星收缩将会是主要表现；二则是由于在恒星的聚变反应过程中，会有相当多的正电子产生，这样会与恒星上的电子发生湮灭，这虽然不能改变恒星上的电荷总量守衡，但却会改变恒星电荷平衡的电荷密度，从而也就可能改变了恒星的电磁场结构。由此也就给恒星内的反物质涌出提供了条件。 这种设想是建立在恒星是由正、反两种物质构成的这一基础上的。但这两种不同的物质却是分布在不同的恒星内外层次上，如在星球外层是正物质，那么反物质则在星球的内层。究竟那种物质在外，那种物质在内，是由星球的自转决定的。如正（左）旋时正物质在外，反物质在内，则逆（右）旋时反物质在外正物质在内。也就说在宇宙中正、反物质的数量是对称的，只是由于正反物质在电磁场中的运动方向恰恰相反，造成了对称性的破缺，表现出星球不同层次上正反物质的不 同沉积。这种设想与现在的正统认识相左，会引出一 系列的问题，这里不作讨论了。但这种设想却维护了宇宙中物质运动的对称性。 参考文献 殳 节，太阳中微子亏损与催化核聚变，大自然探索　1997年.2期。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　节　北京　新都 2009 年夏 太阳中微子亏损与催化核聚变 一 太阳中微子亏损 中微子亏损问题,涉及到对物质运动认识的根本问题,即对基本粒子或核反应的认识、对天体能源的认识、对天体恒星演化及宇宙演化的认识等等。故引起了人们的极大注意,并进行着多方面的、大量的深入研究。 问题的提出是,到目前为止,精心的观测表明,太阳发射的中微子数比标准太阳模型理论预言值要少。最早（1968年）在美国南达科它州霍姆斯塔克（ Homsetake ）金矿洞中（一千五百米深）,用装610吨四氯乙烯的大罐（直径6米长15米）测量,二十多年来测量的结果仅为理论预期值的三分之一 。日本神岗（ Kamioka ）的 Kamiokande 实验,用6000吨纯水测量的结果,为理论预期值的 40％左右 。设在俄国北高加索巴克杉（ Baksan ）的苏美镓实验（SAGE）用60吨金属镓,第一批实验结果只观测到理论预期值的20％,后来的测量结果大致上达到理论预期值的三分之二左右。在意大利亚平宁山的大萨索山隧道内（Gran Sasso ）的镓实验（GALLEX）,用30吨氯化镓,测量结果为理论预期值的三分之二左右。尽管各实验装置及测量方法不同,下能阈不同,但所测结果都比太阳标准模型预期值小,这就是太阳中微子亏损问题 。 为了进一步确定测量结果,美国与加拿大又将在加拿大安大略省萨德别里附近的镍矿井中,建立一个1000吨重水的高灵敏度中微子探测器 SNO（1990年批准）,其包括加拿大、美国、英国的科学家,将共同对中微子的多种作用机制进行研究,其可使测量灵敏度提高20 倍以上。预计在1995年开始工作。 尽管这些探测器实际上都没进行过标定,同时探测器记录下的事件又很少,如1990年SAGE实验仅观测到三个公认的中微子事件,结果统计性较差,但也不应对这些探测器的测量结果怀疑。因为这些探测器对超新星爆发所放出的中微子都有所反应,尽管超新星距我们是如此遥远。如在SN1987A超新星爆发时, Kamiokande 接收到11个中微子事件,GALLEX接收到5个中微子事件, Homsetake 接收到 8 个中微子事件。可见这些探测器对中微子是灵敏的。 同时 Homsetake 小组还报告了太阳中微子数量与太阳黑子活动有关,为逆相关关系。即太阳活动低潮期可测量到高通量的中微子,太阳活动峰期只能测到少量的中微子。如1980年太阳活动峰年,太阳中微子流测量值几乎减少到零,接着随太阳活动的减弱中微子流测量值缓慢递增,直到太阳活动低年的1986年,中微子流测量值达到峰值4.2SNU,而到1988年夏季太阳黑子数又开始增加,中微子测量值又跌到1SNU。这一现象的发现不仅对加深认识有利,同时也检验了探测系统的可靠性 。 解决太阳中微子亏损的矛盾,只有两种可能。其一是太阳就没有产生这么多的中微子,测量值小是完全正常的。这实际上是对太阳标准模型提出质疑或否定。其二是测量上的问题,即实际上太阳中微子没被测量到,从而造成了矛盾 。这是对中微子本身性质及测量提出了质疑 。 实际上提出解决问题的设想很多,出自上面两种因素的都有。有大量对太阳标准模型的修正方案,以适应太阳中微子亏损。如对太阳内部化学成分的适当调整,对太阳大气透明度重新估计,就可使太阳产生的中微子数减少 ; 又如假定太阳中心自转比表面快两倍,太阳中心的压力 、温度会降低,太阳产生的中微子数也会减少,但这时太阳的扁度会发生变化,已被观测值所否定;再如假设太阳中心有质量为太阳质量二分之一的黑洞,其提供了太阳辐射能的一半,由此太阳中微子数也会减少; 还如认为太阳演化正处在低中微子产额期,太阳辐射能只是靠太阳能的惯性在维系,故产生了中微子亏损; 或如太阳中心有强达几十亿高斯的磁场,也会使中微子数减少。还有其它种种假说,都只对太阳标准模型提出了技术上的修正,从而圆了中微子亏损的矛盾。 目前较为流行的是对测量中问题的追究。对探测器关心的是测量的能量阈,并一直在设法改进探测器 。而测量中更重要的是作为被测量的对象─中微子,对它的认识是否完善。这直接关系到核物理的基本认识,也是用核物理实验可以逐步解决的问题。其中最有影响的也最有趣的是中微子振荡 MSW（ Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein ）效应。其认为中微子在运动过程中可能发生状态的变化,如从电子中微子变为子中微子或子中微子,从而使探测器测到的电子中微子数减少,圆了中微子亏损的矛盾 。而这一效应要求中微子有一定的静质量,尽管其可能很小。这样全世界很多实验室都在努力测量中微子的质量。 所有这些设想都没有否定太阳能源标准模型,这些设想有的已经被证伪,而大部分是既末被确证也末被证伪,尚待今后的实践检验 。 太阳中微子究竟亏损了没有呢 ? 二 催化核聚变 催化核聚变反应,从1948年张文裕先生用多层薄膜云雾室发现 - 子可组成 - 子原子开始,就有理论工作者预言 - 子可以催化核聚变。而在1956年阿尔瓦雷兹( L.W.Alvarez) 在液氢泡室实验中观察到 - 子引发的核聚变反应 ,并为此获诺贝尔奖。出于人类对能源的需要,此后很多理论工作者及实验工作者进行了大量的研究,理论大量计算表明一个 - 子催化核聚变可达300多次。而用介子工厂生产的 - 子实验的结果为1983年达到80次,1984年达到150次。而实际上只有 - 子催化200次核聚变才能达到能量的得失相当,因生产 - 子要相当大的能量。而当 - 子催化核聚变1000次以上,才有能源商业应用价值。 任何聚变(化合)反应,尽管其是放热反应,要想发生反应,首先必须使它们相互接近到可以发生相互作用的距离,而实物质间虽然在宏观上是电中性的,但在微观上是有电磁相互作用的,库仑位垒恰恰是使它们不可接近的原因。这样,要想实现反应,就必须克服库仑位垒的影响,使反应物达到可相互作用的距离,即要克服库仑位垒的作用。而最常用的方法是加热、加压,即由热运动的碰撞或压力使反应物间达到相互作用距离。这样就是由库仑位垒的高低决定了反应温度的高低或压力的高低,如核聚变反应,由于库仑位垒很高,就要求有十分高的温度才能实现反应。 在大自然及人类生产中,还有另外一条途径,那就是设法改变作用物间的位垒形式,以利于反应的进行,这就是催化的方法。所谓催化就是要加入反应外的第三者,从而使反应易于进行,而加入物在反应中又不消耗。如甲乙两物要发生聚变(化合)反应,其间位垒为V,要克服V就必需要高温高压。若加入丙物质,使其改变了反应物间的位垒形式为V',而V'比V大大减小,由此反应要求的条件（温度、压力）就会低很多,从而反应容易进行的多。这样也就加速或催化了反应的进行,也可使反应按要求的方向进行。 核聚变要克服的是两个原子核的库仑位垒 , 由于聚变发生为核力相互作用,其距离十分小,为 fm(10 -13 厘米)量级范围,位垒量值很大,约在600ｋｅＶ左右。尽管核反应可通过量子隧道效应发生,但在高位垒下几率十分小,有人计算表明,在氘分子距离为0.74时(近似玻尔半径距离),隧道效应发生几率仅为10 -64 ／分子。这实际表明在常态下,这种聚变反应几乎是不能发生的 。 实验已经证明,在常态情况下, - 子确实催化了核聚变的发生,这也就是说催化核聚变不是妄想,而是客观存在的事实。这种催化是怎样进行的呢 ？ 现在已基本清楚,原子核外负电荷粒子轨道半径为: Ｒ ｎ ＝ｎｈ／４ｍＺｅ ２ 　　　　　　　　 （１） 其中ｎ为轨道数,是自然数ｎ＝１,２,３,Ｚ为原子序数,ｍ为核外负电荷质量 。即原子核外负电荷粒子的质量与其轨道半径成反比 : Ｒ１／ｍ 　　　　　　　　　　　 （２） 而核外负电荷轨道正是标志原子大小的,即两个原子核间可接近到约２Ｒ的距离 。由于 - 的质量为电子质量的２０６.８倍,故 - 子原子的轨道半径比正常原子轨道半径小206.8倍。即 - 子分子重氢（氘）原子核间距要比正常氘分子核间距小206.8倍。经过这种变化,有人计算核聚变通过位垒穿透发生的几率比正常情况下增加80个量级,这也就是说在正常情况下可以发生氘核聚变反应了。这与事实也是相苻的。 另外,双原子分子是个谐振子,两个原子核受一个准弹性力( 电磁力 )的相互作用而相对于质心振动。这个电磁力是通过核外负电荷粒子发生的。对于奇特分子氘 - 子分子来说,是两个原子核通过对 - 子的作用才结合在一起的。而当核外负电荷粒子不同时,由于原子核间距发生了变化,原子核的振动能态也会发生变化,这种变化与原子核外负电荷粒子质量有关。可以得到,核振动能与核外负电荷粒子的质量的平方根成正比 : Ｅｍ 1/2 　　　　　　　　　 （３） 其中Ｅ为核振动能。这样当 - 子取代氘核外的电子后,氘核的振动能也相应的增大了。这种振动能的增加,也有利于氘分子原子核间相互接近,从而使聚变反应易于发生。 总之,原子核间发生聚变反应的障碍,是库仑位垒的作用。而当由 - 子取代电子后,由于 - 子质量比电子质量大,使两个原子核间库仑位垒形式发生了变化,两个原子核间距离变小,核振动能增大,故核聚变发生的几率大大增加,从而使核聚变在常态下发生成为可能 。在这过程中,作为中介的 - 子并不消耗,故称之为 - 子催化核聚变。 事实证明核聚变是可以催化的 。 三 也是一种可能 科学技术要想有大的发展,首先必须在新实践的基础上,对科学技术的基本假设或原理进行重新审核,给予修正或充实,这才能实现突破,进入一个全新的境界。 太阳能源的标准模型,在本世纪六十年代以来就被认为是大体上已有定论的了。这种核聚变的模型在理论上并不违反核物理的原则,由此显然是可能发生的事实。但可能并不一定就是事实,因为太阳终归是可望而不可及的,它上面究竟发生着怎样的过程,并没有被确证,何况现在又有中微子亏损这样的矛盾。也就是说,首先应该对太阳能源的机制假设进行审核。即首先应不受现在的太阳标准模型的局限,从更深的层次上看是否有其它途径也是可能的 。 现代物理研究中,关于奇特原子、分子的研究已获得了相当知识。研究表明,所有寿命足够长的负荷电粒子都可以组成奇特原子。组成奇特原子的过程约需10 -10 秒,故寿命大于10 -10 秒的负电荷粒子都可以组成奇特原子。 目前已观测到的奇特原子有轻子奇特原子、介子奇特原子、重子奇特原子,可组成奇特原子的负荷电粒子详见表一 。 表一 已在实验中发现组成奇特原子的负电荷粒子： 类别 名 称 苻 号 质量 * 奇异数 自 旋 寿命 (秒) 轻 子 电 子 ｅ － 1 0 1/2 稳定 - 子 - 206.8 0 1/2 2.2 10 -6 介 子 - 介子 - 273.2 0 0 10 -8 - 介子 - 966.3 １ 0 10 -8 重 子 反质子 Ｐ - 1836.1 0 1/2 稳定 - 超子 - 2342.6 １ 1 10 -10 - 超子 - 2584.7 ２ 1/2 10 -10 - 超子 - 3277.9 ３ 0 10 -10 * 质量以电子质量为一,其它质量为电子质量的倍数 。 从表中可以明显看出,作为电磁相互作用,电子、 - 子、反质子是最相似的,且也是寿命较长的。 - 子之所以催化满足不了要求,是因为它的寿命嫌短了些。而反质子也是可以催化核聚变的。 作为反物质粒子的反质子,除有电磁相互作用外,还有核力相互作用,即在距原子核太近时会被拉入原子核,与核内质子湮灭; 同时在遇到质子时也会发生湮灭而消失。由此反质子在催化核聚变中的寿命就不是反质子的寿命,而是反质子在催化核聚变系统中湮灭的时间了。 用反质子催化核聚变当然要首先花费能量生产反质子。在催化核聚变或控制过程中,反质子又可能与质子湮灭,其又将能量释放在反应系统中,即生产反质子的能量又会在聚变系统中得到回收,所差值只是在能量转换中的效率损失部分。而反质子催化的核聚变放出的能量则成为净获得能量。这从能量收益上应当是更易盈余的。 由此反质子催化核聚变可能是人类将来能源的较优形式 。 四 反质子催化核聚变的估计 反质子的质量是电子质量的1836倍,由(2)、(3)式可知,其奇特原子半径将会变小1836倍,核振动能将会增大43倍,由此聚变反应 : （ｐ + ＋ｄ） ｐ- ── ３ Ｈｅ＋ ＋ｐ - ＋5.4Ｍｅｖ （ｄ＋ｄ） ｐ- －──ｔ＋ｐ ＋ ＋ｐ - ＋4.03Ｍｅｖ （ｄ＋ｄ） ｐ- －── ３ Ｈｅ＋ｎ＋ｐ - ＋3.26Ｍｅｖ （ｄ＋ｔ） ｐ- －── ４ Ｈｅ＋ｎ＋ｐ - ＋17.59Ｍｅｖ 发生的几率将大大增加,在常温下也会有可观数量的聚变反应发生 。 在只考虑电磁相互作用及湮灭的情况下,反质子催化核聚变的产额为 : 　　　 （４） 其中 ｄ 为反应系统中氘的密度, ｐ 为反应系统中质子(氢)的密度, ｃ 为反质子催化循环率, 为反质子在反应系统中的漏失(损失)率, ｐｐ- 为反正质子的湮灭截面,Ｗ为聚变反应中产生质子的权因子。由此可以看出聚变反应率的大小完全由系统中质子的多少而定,即向系统中充入氢气可以有效的控制聚变反应的进行。 这显然对控制 、利用聚变能是极有利的 。 事实上反质子在系统中的损失是不可能为零的。因为除反质子与氢湮灭外,还有可能与原子核内的质子发生湮灭。这种原子核可能是反应物中的原子核,也可能是系统结构材料的原子核。由此在设计装置时,应尽可能避免使反质子与反应物质外的其它物质如装置的壁材料接触。 任何一个能源装置,都必然的要不断填入燃料,不断排出废物,由此反应系统中决不会是一个定态过程。为了保持系统能量输出的稳定性,则要使系统中的燃料、催化剂保持在平衡态,即要不停的补充损耗的燃料及催化剂,不停的排出废物。且这应是一个平衡态过程。在平衡态的情况下,单位体积中损失的反质子数为: ｎ＝ ｄ ｐ- ＜ｖ ｄｐ- ＞＋Ｗ ｄ ｃ ｐ-ｐ + 　　　 （６） 其中 ｄ 、 ｐ- 为系统中反质子的密度,＜ｖ ｄｐ- ＞是乘积ｖ ｄｐ- 在速度空间的统计平均值, ｐ-ｐ + 是反质子与氘核内质子湮灭截面。这里略去了反应装置壁材料与反质子的湮灭损失项。稳定运行要求补充的反质子等于损失的反质子数。 如单纯从反质子损耗来看,选择氘氚聚变反应为优,因为这一反应不存在生成质子的反应道,故反质子与质子的湮灭也就不存在了,反质子的损失全由氘氚核内质子与反质子湮灭决定 。这样,一个反质子可以催化的聚变数就大大增加了。当然这时又带来了氚的防护安全问题、氚燃料来源问题及反应产生的14.1Ｍｅｖ的高能中子带来的问题。为避免放射性带来的问题,选用氘氘聚变可能更好,但这时反质子的损失将会大些。因氘氘反应中有一道产生质子的反应道 。 反质子催化核聚变的可能性正如子催化核聚变一样。早在1978年就观测到了质子、反质子组成的原子态──质子素不同能级间ｘ射线跃迁的Ｌ线 〔3〕 ,当时这一实验花了很长时间 。而在西欧核子研究中心的低能反质子环（ＬＥＡＲ）运行后,在其上很快进行了质子反质子原子ｘ射线跃迁的测量 〔4〕 。这就证明反质子可以和质子组成稳定的原子,而并不是马上湮灭。可见反质子亦可与氘、氚组成奇特原子共振分子,即反质子可以催化核聚变反应 。 要想证实反质子催化核聚变并不困难,因为已经有ＬＥＡＲ在运行了。只要将 〔4〕 实验测量的装置反应室里的氢换成氘或氘氚气体,测量射线的探测器换成测量中子的探测器则可。这些都是现成的装置及测量技术,只是为新的研究进行新的组合 。 五 太阳能源的猜想 现在认为太阳上的核聚变过程为 : 这是碳氮氧循环。其都是氢聚变成氦的过程,有中微子产生。而现在认为太阳中心温度为1.5１０ ７ Ｋ,其等离子粒子平均动能仅为1.3ｋｅＶ左右。这样大的动能下距克服核位垒相差尚远。更不要说太阳表面温度仅为6000Ｋ（等离子粒子平均动能仅为0.8ｅＶ左右）,要实现核聚变更难,故一般认为核聚变反应只发生在太阳核心部分。而事实上观察到太阳表面有光斑、谱斑、米粒组织、网斑、针状物、耀斑、日珥、黑子等等,这些都是在太阳近表面有聚变反应甚至激烈聚变的迹象。尤其太阳中微子与黑子的逆相关关系,更表明核聚变是发生在太阳的近表面部分。这也就是说太阳表面进行的是低温低压核聚变反应,这种反应只能是催化核聚变反应。 太阳上的催化核聚变反应不可能是子催化核聚变,也不可能是寿命更短的负荷电粒子催化核聚变反应,只能是反质子催化核聚变。由于反质子催化核聚变过程中必然要与氢发生湮灭反应,并放出能量。估计在太阳上每个质子平均可能要催化二百次左右氢聚变成氦的反应,而后湮灭。这样太阳上放出的能量表象上湮灭反应能与核聚变反应能各占一半左右,而实质上太阳能源完全是靠正、反物质湮灭能所提供 。 这存在很多问题。这里只先简要猜测说明,大量的研究尚待以后深入发展。 太阳上的反质子是从那里来的？ 太阳上的反质子是太阳上所具有的。即太阳核心部分是由反物质组成的,其质量大小为太阳质量的小一半左右。也就是说恒星都是反、正物质构成的,星球内外层是由反、正两种不同的物质组成。恒星能源是正反物质湮灭所放出的能量。 太阳上的正反物质为什么能共处在一起？而不是马上湮灭？ 反正物质只有在单粒子状态下相遇才会湮灭,而在各自组成团后,团与团是不可能发生湮灭反应的。即在星球内层的反物质是以原子或原子核状态存在,且其都是核子数大于４的元素,即是由氦核以上的原子组成。要想使正反氦核湮灭,其库仑位垒是第一道障碍,核力位垒是第二道障碍。由此要想湮灭必须首先将原子核分裂开成核子,而后反正核子才可能湮灭。这就需要有极高的温度压力才可能。如要想把氦核分成核子,则要求有大于核结合能的能量(大于25ＭｅＶ)才行。这也许正是恒星内核具有高密度的原因。 这与恒星演化的现实理论矛盾吗？ 确有矛盾之处,但也有相融之处。现在认为也被观测所证实,恒星是由旋转着的星云收缩而形成的,而这旋转着的星云存在着的电磁场正好使产生的正负带电粒子运动指向相反,若负电粒子向内,则正电粒子则向外,由此形成了正反物质的内外分布。这显然也同时解释了正反物质在宇宙中不对称的矛盾。即正反物质是对称的,且它是对称在星球自身上。这与现代恒星最后演化成为黑洞的说法不相融。因为恒星的最后结局是组成它的物质几乎都变成辐射能失去了,不大可能收缩成黑洞。 这与大爆炸宇宙论相矛盾吗？ 从表面上看没明显的矛盾。但从骨子里这是不同的观念引伸出的不同认识。大爆炸论认为宇宙有个开始,即宇宙有时空的绝对零点,宇宙中的一切都在这时空中的特定位置上发生发展着.而这正反物质共同构成的星球、星系,是允许星球、星系及宇宙中的一切物质运动可以产生、发展以至死亡的发展变化的,但宇宙并不存在一个特定的时空零点,更没有一个特定的终点。至于由反正物质组成宇宙,对所谓支持大爆炸的观测事实,如微波背景３Ｋ辐射、星体红移等,可以有另外的解释,而不一定是特定支持大爆炸的膨胀说法 。 这与现代粒子物理矛盾吗？ 不,这恰好为粒子物理提供了又一大研究课题。粒子与反粒子的相互作用,尤其是不同粒子反粒子的相互作用,其是现在所认识的物质相互作用还是又有新的相互作用形式呢？它们会怎样共处在一个系统中呢 ？等等 。 这与现代核物理观念矛盾吗 ？ 并不,这里提出了核物理的几个新领域,催化核聚变或催化核反应,这可能是使核反应应用的一个新途径,还可能给加速器越做越大一个转机。同时还有正物质原子核与反物质原子核的共处问题研究,即它们会不会形成一种密度极高的物质形态 ？它们的相互作用怎样？等等。 当然,还可以提出很多很多问题 。 宇宙中人们未知的东西很多,而隋着认识的深度广度的发展,人们会提出更多的问题。尤其是人不能直接与之发生相互作用的事物,认识起来就更加困难,主要是靠间接的推论、猜想与观察、实验。这样在没有确定结论前,应当是百花齐放百家争鸣,这才有利于认识的发展。只是一种模式,到一定程度后,认识只能会停滞不前。尤其只在一种模式下,靠加各种修正,类似在本轮上加均轮的方法来加深认识,更易将人引入认识的岐途 。 参考文献 . John N.Bahcall 科学 9(1990) 9. . L.W.Alvarez et al. Phys. Rev. 105 (1957) 1127. . E.G.Auld et al. Phys. Lett. 77B,4,5 (1978) 454. . S.Ahmad et al. Phys. Lett. 157B,4 (1985) 333.
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开愽闲话与“太阳中微子问题与反物质催化核聚变”
shujie100 2010-12-6 11:57
开 愽 闲话 愽 主我退休己十多年了，本来平时就好标新立异，退下来有了时间，加之其它种种原因，就陆续的写了一些东西。由于是标新立异或可以说是离经叛道的东西，当然是不会被主流承认的，更可能被学者、专家、权威们所不耻，由此只能一直放在一边。 标新立异的东西未必就是正确的，或可能大多数是不正确的。但认识的正确与否并不是那个人说了算的，是靠人的实践来证明的。由此只要其本身自恰并合乎逻辑，就应当拿出来大家一起讨论，至少可以作为抛砖引玉，而设法设计实验证实或证伪才是正确的。但遗憾的是现实没有这种条件，几经寻找才觉得网上的 愽 客可能是一种出路。由此才申请开 愽 。 本 愽 主讨论 的问题都是自然科学方面的问题，并不涉及其它。这些问题有些还是五十年前上大学时在未名湖畔百思不得其解的问题，有些则是对后来当时一些所谓的热点问题的思考，但大多异于当前的理论，而当前的一些理论甚或是权威的、正统的。现在对这些问题己思考到一定程度，拿出来晒一晒，作为抛砖引玉而，或可能对后来人有点作用。 人总是有联想的，尽管是自然科学方面的问题，也可能联想到其它，历史上这类的事并不鲜见的。由于本人己不再靠这些来提职称，也不靠其吃饭，年龄大了脸皮自然也就厚了，更不怕人说三道四，可安心静候各种言词和议论了。只所以如此为，只是图个乐而己。 到此闲话打住，开 愽 。 下面首先想谈的是关于催化核变聚的问题。这是在上世纪九十年代全世界曾掀起的冷聚变热潮时，本人曾在大自然探索（1997年.2期）上发表了一篇太阳中微子亏损与催化核聚变的文章，其中提出了反质子催化核聚变。而后又经过思考进一步提出反物质催化核变聚。下面就是这篇东西。同时为了便于阅读，将在大自然探索上发表的文章附在后面（其中将发表时压缩掉的一小部分按全文补全）。 太阳中微子问题与反物质催化核聚变 关于太阳中微子亏损的问题，已在十几年前写的太阳中微子亏损与催化核聚变 一文中有所阐述。其中对太阳中微子亏损的原因提出了标新立异的想法，认为亏损的约三分之一中微子本来就是不存在的，而太阳能量约有二分之一是由正、反物质湮灭反应所提供的，且太阳上所进行的核聚变反应是由反质子催化而进行的。在文中也曾对反质子催化核聚变过程进行了一定的分析。 但总的想来反质子在太阳这样存在大量氢的恒星上寿命是不会很长的，由此所能催化的核聚变数量也不会很多。而恒星向外辐射的能量却是巨大的。由此是否还应有其它的反应过程存在，就值得再仔细考虑了。 实际上太阳中微子问题并不仅仅是中微子亏损，还有太阳中微子与太阳的活动相关这一实验事实等其它问题。实验测得的太阳中微子流与太阳的活动周期相关， Homsetake 小组报告了太阳中微子数量与太阳黑子活动为逆相关关系。即太阳活动低潮期可测量到高通量的中微子,太阳活动峰期只能测到少量的中微子。如1980年太阳活动峰年,太阳中微子流测量值几乎减少到零,接着随太阳活动的减弱中微子流测量值缓慢递增,直到太阳活动低年的1986年,中微子流测量值达到峰值4.2SNU,而到1988年夏季太阳黑子数又开始增加,中微子测量值又跌到1SNU。由此解决太阳中微子问题就不能只是对太阳中微子亏损提出解释，而是应对太阳中微子的所有问题都有一个比较圆 满的交待 。 最近有人认为太阳中微子亏损就是中微子振荡的结果，似乎还认为有了实验证据。但中微子振荡却不能解释为什么太阳中微子会与太阳活动有关。由此也从另一方面表明太阳中微子亏损最大可能是由太阳本 身的物质运动形式决定的。 正、反物质的湮灭反应是有条件的，既正、反物质湮灭只能是在正、反基本粒子间才能进行，而非基本粒子的正、反物质状态，只有在其分解成基本粒子后，才能湮灭。但现在已清楚的知道，由基本粒子组成原子核，是要释放能量的，即基本粒子组成原子核有结合能，各基本粒子是处在一个很深的位阱中。由此要想使组成原子核的各基本粒子分解成独立的粒子，则要给其很大的能量才能实现。比如氧原子核，其核子的结合能约8MeV，由此要想使组成氧原子核的质子与中子完全分解成独立的粒子，则要给每个核子提供8MeV以上的能量，总计要一下提供128MeV以上的能量，才能使氧原子核分解成质子、中子。对其它反原子核也是如此。如要使反氧原子核分解成反质子与反中子的基本粒子，这时的物质温度必须达到1.510 12 K 以上。这在星球上是很难达到的，即任何星球温度都不可能达到如此高（太阳表面温度只为6.010 3 K ，与之差八个多量级）。由此恒星上反物质原子核的分解实际上都是通过一定的核反应完成的。实际上只有反质子才可能与氢核湮灭，反中子由于是不稳定粒子，通过衰变成反质子（反中子衰变成反质子、反电子及中微子），而后再与氢核湮灭，或通过反中子的核反应而消失。 太阳的活动过程基本上是太阳物质由引力收缩与核反应释放能量使之膨胀的矛盾斗争平衡过程。当恒星上的核反应速度减小时，释放出的能量也就相应变少，恒星物质就会由引力而收缩，这时恒星内物质的压力就会增加，造成恒星内部物质运动的变化，从而使恒星内部的一些反物质原子核向外涌出（如地球上的火山爆发），使恒星表面反物质数量开始增多，从而增加了催化剂反物质核的增加，使恒星核反应速度加快，产生的能量增加，这时又可能使恒星膨胀。但随着反物质催化核的逐渐减少，核反应数又会逐渐减少，从而又进入了下一个矛盾循环。 设想反物质催化核聚变的过程可能是这样的。由于反物质原子的核外电子是基本粒子正电子，在太阳外层其不可能在反原子核外存在很久，马上就可能与星球上的电子湮灭，反原子只能是裸反原子核，其核外电子轨道上则变成了空的，由此就可能在其外的电子轨道上俘获质子（氢核）。如此反炭核可在外层电子轨道（应当是六个正电子）上俘获了六个质子，形成了一种特异反原子，这不仅会使核外质子所处的轨道半径变小，振动能增加， 同时 在外层电子轨道的质子又向内层轨道跃迁，使得质子间距离更小，从而催化了质子（氢）的聚变反应。同样其它的反物质原子核也有这种类似的催化核聚变作用。其作用皆为反物质原子核俘获质子，而使质子间达到发生聚变反应的距离，从而催化核聚变。 这样太阳（恒星）上的聚变核反应就主要不是由温度决定的，而主要应当是由反物质催化核聚变决定的。其中中子的核反应起了决定性的作用。因为中子不带电，极易进入原子核中，也就极易使原子核发生反应，从而就使恒星上的核反应能持续的进行下去。 设想的反物质催化核反应过程为： 　　　　 其中反物质催化核聚变过程与现在所谓的质子－质子循环是相同的，但这时却增加了最易实现的D－D、D－T产生中子的两种聚变反应，这时由于中子不带电，很易进入反原子核，从而引发了原子核裂变，产生了反中子，其中k为裂变产生的反中子系数，其中k=0,1,2 ， 由于中子与反原子核内的反中子发生湮灭反应会释放出巨大的能量（1876.5MeV），足以使任何原子核发生爆裂，从而也就使大原子核分裂成较小原子核，而反中子又极易进入原子核，同样会使原子核发生爆裂，这样的结果也就使这种反应过程可持续进行下去，直至反物质被完全消耗完。这种过程即是恒星上重原子核产生的过程，同时也是重原子核分裂的过程，恒星上物质的变化过程就是在这复杂矛盾的斗争中进行的，这样归根结底恒星辐射的能量实际上都是反、正物质湮灭的结果，但具体的过程则表现有近一半是氢核聚变反应提供的，由此才有中微子产生。 这种过程在太阳上也是同样的。由此只要观测太阳风就可能发现反原子核，尤其是观测太阳黑子或太阳耀斑的喷射物，更有可能发现较多的反物质原子核。 催化太阳核聚变的反物质并不会一直存在下去的，同样也会逐渐消耗。这是因为其一量子力学的遂道效应在起作用。原子核虽存在很深的核位阱，但由量子力学的遂道效应，因为太阳上存在有大量氢原子核的质子，不可能不通过遂道效应进入反原子核中（尽管其概率很小，但由于核数多，其结果也是可观的），从而与反物质核内的反质子湮灭，而使反原子核最终爆裂直至完全湮灭；其二则可能由于中子核反应的存在，可能使反物质原子核爆裂分解成反物质基本粒子，从而湮灭。这种反应中的中子不仅有由聚变反应过程中可能产生的中子，同时由于正、反物质湮灭时会放出高能射线，而高能射线也可能与物质原子核相互作用，可能产生中子（光激中子）。由于中子不是荷电粒子，其不会受核位阱的影响，极易进入反原子核中，从而使进入原子核的中子与反原子核中的反中子发生湮灭，也就使反物质原子核瓦解，最终完全湮灭。 这样，太阳上反物质催化核聚变随着反物质的减少而逐渐减缓，产生的能量逐渐减少，从而使太阳引力作用逐渐占上风，再次打破太阳上的矛盾平衡，进入了又一次的循环。即太阳内部部分反物质又会涌出，进入下一循环。太阳活动周期则是这种循环的表现。 也就是说，太阳（恒星）上的核聚变反应是由反物质催化的，这样催化的反物质原子多，氢核聚变反应也就多，而一旦反物质原子逐渐变少，其反应也就逐渐变慢。但氢核聚变反应释放出的能量终归要比正、反物质湮灭所放出的能量少，由此在氢核聚变反应起主导作用时，反倒是恒星活动的低潮期，这时会出现两种情况，一为这时由于活动释放出的能量相对逐渐减少，则会使恒星活动中引力逐渐起主要作用，即恒星收缩将会是主要表现；二则是由于在恒星的聚变反应过程中，会有相当多的正电子产生，这样会与恒星上的电子发生湮灭，这虽然不能改变恒星上的电荷总量守衡，但却会改变恒星电荷平衡的电荷密度，从而也就可能改变了恒星的电磁场结构。由此也就给恒星内的反物质涌出提供了条件。 这种设想是建立在恒星是由正、反两种物质构成的这一基础上的。但这两种不同的物质却是分布在不同的恒星内外层次上，如在星球外层是正物质，那么反物质则在星球的内层。究竟那种物质在外，那种物质在内，是由星球的自转决定的。如正（左）旋时正物质在外，反物质在内，则逆（右）旋时反物质在外正物质在内。也就说在宇宙中正、反物质的数量是对称的，只是由于正反物质在电磁场中的运动方向恰恰相反，造成了对称性的破缺，表现出星球不同层次上正反物质的不 同沉积。这种设想与现在的正统认识相左，会引出一 系列的问题，这里不作讨论了。但这种设想却维护了宇宙中物质运动的对称性。 参考文献 殳 节，太阳中微子亏损与催化核聚变，大自然探索　1997年.2期。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　节　北京　新都 2009 年夏 太阳中微子亏损与催化核聚变 一 太阳中微子亏损 中微子亏损问题,涉及到对物质运动认识的根本问题,即对基本粒子或核反应的认识、对天体能源的认识、对天体恒星演化及宇宙演化的认识等等。故引起了人们的极大注意,并进行着多方面的、大量的深入研究。 问题的提出是,到目前为止,精心的观测表明,太阳发射的中微子数比标准太阳模型理论预言值要少。最早（1968年）在美国南达科它州霍姆斯塔克（ Homsetake ）金矿洞中（一千五百米深）,用装610吨四氯乙烯的大罐（直径6米长15米）测量,二十多年来测量的结果仅为理论预期值的三分之一 。日本神岗（ Kamioka ）的 Kamiokande 实验,用6000吨纯水测量的结果,为理论预期值的 40％左右 。设在俄国北高加索巴克杉（ Baksan ）的苏美镓实验（SAGE）用60吨金属镓,第一批实验结果只观测到理论预期值的20％,后来的测量结果大致上达到理论预期值的三分之二左右。在意大利亚平宁山的大萨索山隧道内（Gran Sasso ）的镓实验（GALLEX）,用30吨氯化镓,测量结果为理论预期值的三分之二左右。尽管各实验装置及测量方法不同,下能阈不同,但所测结果都比太阳标准模型预期值小,这就是太阳中微子亏损问题 。 为了进一步确定测量结果,美国与加拿大又将在加拿大安大略省萨德别里附近的镍矿井中,建立一个1000吨重水的高灵敏度中微子探测器 SNO（1990年批准）,其包括加拿大、美国、英国的科学家,将共同对中微子的多种作用机制进行研究,其可使测量灵敏度提高20 倍以上。预计在1995年开始工作。 尽管这些探测器实际上都没进行过标定,同时探测器记录下的事件又很少,如1990年SAGE实验仅观测到三个公认的中微子事件,结果统计性较差,但也不应对这些探测器的测量结果怀疑。因为这些探测器对超新星爆发所放出的中微子都有所反应,尽管超新星距我们是如此遥远。如在SN1987A超新星爆发时, Kamiokande 接收到11个中微子事件,GALLEX接收到5个中微子事件, Homsetake 接收到 8 个中微子事件。可见这些探测器对中微子是灵敏的。 同时 Homsetake 小组还报告了太阳中微子数量与太阳黑子活动有关,为逆相关关系。即太阳活动低潮期可测量到高通量的中微子,太阳活动峰期只能测到少量的中微子。如1980年太阳活动峰年,太阳中微子流测量值几乎减少到零,接着随太阳活动的减弱中微子流测量值缓慢递增,直到太阳活动低年的1986年,中微子流测量值达到峰值4.2SNU,而到1988年夏季太阳黑子数又开始增加,中微子测量值又跌到1SNU。这一现象的发现不仅对加深认识有利,同时也检验了探测系统的可靠性 。 解决太阳中微子亏损的矛盾,只有两种可能。其一是太阳就没有产生这么多的中微子,测量值小是完全正常的。这实际上是对太阳标准模型提出质疑或否定。其二是测量上的问题,即实际上太阳中微子没被测量到,从而造成了矛盾 。这是对中微子本身性质及测量提出了质疑 。 实际上提出解决问题的设想很多,出自上面两种因素的都有。有大量对太阳标准模型的修正方案,以适应太阳中微子亏损。如对太阳内部化学成分的适当调整,对太阳大气透明度重新估计,就可使太阳产生的中微子数减少 ; 又如假定太阳中心自转比表面快两倍,太阳中心的压力 、温度会降低,太阳产生的中微子数也会减少,但这时太阳的扁度会发生变化,已被观测值所否定;再如假设太阳中心有质量为太阳质量二分之一的黑洞,其提供了太阳辐射能的一半,由此太阳中微子数也会减少; 还如认为太阳演化正处在低中微子产额期,太阳辐射能只是靠太阳能的惯性在维系,故产生了中微子亏损; 或如太阳中心有强达几十亿高斯的磁场,也会使中微子数减少。还有其它种种假说,都只对太阳标准模型提出了技术上的修正,从而圆了中微子亏损的矛盾。 目前较为流行的是对测量中问题的追究。对探测器关心的是测量的能量阈,并一直在设法改进探测器 。而测量中更重要的是作为被测量的对象─中微子,对它的认识是否完善。这直接关系到核物理的基本认识,也是用核物理实验可以逐步解决的问题。其中最有影响的也最有趣的是中微子振荡 MSW（ Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein ）效应。其认为中微子在运动过程中可能发生状态的变化,如从电子中微子变为子中微子或子中微子,从而使探测器测到的电子中微子数减少,圆了中微子亏损的矛盾 。而这一效应要求中微子有一定的静质量,尽管其可能很小。这样全世界很多实验室都在努力测量中微子的质量。 所有这些设想都没有否定太阳能源标准模型,这些设想有的已经被证伪,而大部分是既末被确证也末被证伪,尚待今后的实践检验 。 太阳中微子究竟亏损了没有呢 ? 二 催化核聚变 催化核聚变反应,从1948年张文裕先生用多层薄膜云雾室发现 - 子可组成 - 子原子开始,就有理论工作者预言 - 子可以催化核聚变。而在1956年阿尔瓦雷兹( L.W.Alvarez) 在液氢泡室实验中观察到 - 子引发的核聚变反应 ,并为此获诺贝尔奖。出于人类对能源的需要,此后很多理论工作者及实验工作者进行了大量的研究,理论大量计算表明一个 - 子催化核聚变可达300多次。而用介子工厂生产的 - 子实验的结果为1983年达到80次,1984年达到150次。而实际上只有 - 子催化200次核聚变才能达到能量的得失相当,因生产 - 子要相当大的能量。而当 - 子催化核聚变1000次以上,才有能源商业应用价值。 任何聚变(化合)反应,尽管其是放热反应,要想发生反应,首先必须使它们相互接近到可以发生相互作用的距离,而实物质间虽然在宏观上是电中性的,但在微观上是有电磁相互作用的,库仑位垒恰恰是使它们不可接近的原因。这样,要想实现反应,就必须克服库仑位垒的影响,使反应物达到可相互作用的距离,即要克服库仑位垒的作用。而最常用的方法是加热、加压,即由热运动的碰撞或压力使反应物间达到相互作用距离。这样就是由库仑位垒的高低决定了反应温度的高低或压力的高低,如核聚变反应,由于库仑位垒很高,就要求有十分高的温度才能实现反应。 在大自然及人类生产中,还有另外一条途径,那就是设法改变作用物间的位垒形式,以利于反应的进行,这就是催化的方法。所谓催化就是要加入反应外的第三者,从而使反应易于进行,而加入物在反应中又不消耗。如甲乙两物要发生聚变(化合)反应,其间位垒为V,要克服V就必需要高温高压。若加入丙物质,使其改变了反应物间的位垒形式为V',而V'比V大大减小,由此反应要求的条件（温度、压力）就会低很多,从而反应容易进行的多。这样也就加速或催化了反应的进行,也可使反应按要求的方向进行。 核聚变要克服的是两个原子核的库仑位垒 , 由于聚变发生为核力相互作用,其距离十分小,为 fm(10 -13 厘米)量级范围,位垒量值很大,约在600ｋｅＶ左右。尽管核反应可通过量子隧道效应发生,但在高位垒下几率十分小,有人计算表明,在氘分子距离为0.74时(近似玻尔半径距离),隧道效应发生几率仅为10 -64 ／分子。这实际表明在常态下,这种聚变反应几乎是不能发生的 。 实验已经证明,在常态情况下, - 子确实催化了核聚变的发生,这也就是说催化核聚变不是妄想,而是客观存在的事实。这种催化是怎样进行的呢 ？ 现在已基本清楚,原子核外负电荷粒子轨道半径为: Ｒ ｎ ＝ｎｈ／４ｍＺｅ ２ 　　　　　　　　 （１） 其中ｎ为轨道数,是自然数ｎ＝１,２,３,Ｚ为原子序数,ｍ为核外负电荷质量 。即原子核外负电荷粒子的质量与其轨道半径成反比 : Ｒ１／ｍ 　　　　　　　　　　　 （２） 而核外负电荷轨道正是标志原子大小的,即两个原子核间可接近到约２Ｒ的距离 。由于 - 的质量为电子质量的２０６.８倍,故 - 子原子的轨道半径比正常原子轨道半径小206.8倍。即 - 子分子重氢（氘）原子核间距要比正常氘分子核间距小206.8倍。经过这种变化,有人计算核聚变通过位垒穿透发生的几率比正常情况下增加80个量级,这也就是说在正常情况下可以发生氘核聚变反应了。这与事实也是相苻的。 另外,双原子分子是个谐振子,两个原子核受一个准弹性力( 电磁力 )的相互作用而相对于质心振动。这个电磁力是通过核外负电荷粒子发生的。对于奇特分子氘 - 子分子来说,是两个原子核通过对 - 子的作用才结合在一起的。而当核外负电荷粒子不同时,由于原子核间距发生了变化,原子核的振动能态也会发生变化,这种变化与原子核外负电荷粒子质量有关。可以得到,核振动能与核外负电荷粒子的质量的平方根成正比 : Ｅｍ 1/2 　　　　　　　　　 （３） 其中Ｅ为核振动能。这样当 - 子取代氘核外的电子后,氘核的振动能也相应的增大了。这种振动能的增加,也有利于氘分子原子核间相互接近,从而使聚变反应易于发生。 总之,原子核间发生聚变反应的障碍,是库仑位垒的作用。而当由 - 子取代电子后,由于 - 子质量比电子质量大,使两个原子核间库仑位垒形式发生了变化,两个原子核间距离变小,核振动能增大,故核聚变发生的几率大大增加,从而使核聚变在常态下发生成为可能 。在这过程中,作为中介的 - 子并不消耗,故称之为 - 子催化核聚变。 事实证明核聚变是可以催化的 。 三 也是一种可能 科学技术要想有大的发展,首先必须在新实践的基础上,对科学技术的基本假设或原理进行重新审核,给予修正或充实,这才能实现突破,进入一个全新的境界。 太阳能源的标准模型,在本世纪六十年代以来就被认为是大体上已有定论的了。这种核聚变的模型在理论上并不违反核物理的原则,由此显然是可能发生的事实。但可能并不一定就是事实,因为太阳终归是可望而不可及的,它上面究竟发生着怎样的过程,并没有被确证,何况现在又有中微子亏损这样的矛盾。也就是说,首先应该对太阳能源的机制假设进行审核。即首先应不受现在的太阳标准模型的局限,从更深的层次上看是否有其它途径也是可能的 。 现代物理研究中,关于奇特原子、分子的研究已获得了相当知识。研究表明,所有寿命足够长的负荷电粒子都可以组成奇特原子。组成奇特原子的过程约需10 -10 秒,故寿命大于10 -10 秒的负电荷粒子都可以组成奇特原子。 目前已观测到的奇特原子有轻子奇特原子、介子奇特原子、重子奇特原子,可组成奇特原子的负荷电粒子详见表一 。 表一 已在实验中发现组成奇特原子的负电荷粒子： 类别 名 称 苻 号 质量 * 奇异数 自 旋 寿命 (秒) 轻 子 电 子 ｅ － 1 0 1/2 稳定 - 子 - 206.8 0 1/2 2.2 10 -6 介 子 - 介子 - 273.2 0 0 10 -8 - 介子 - 966.3 １ 0 10 -8 重 子 反质子 Ｐ - 1836.1 0 1/2 稳定 - 超子 - 2342.6 １ 1 10 -10 - 超子 - 2584.7 ２ 1/2 10 -10 - 超子 - 3277.9 ３ 0 10 -10 * 质量以电子质量为一,其它质量为电子质量的倍数 。 从表中可以明显看出,作为电磁相互作用,电子、 - 子、反质子是最相似的,且也是寿命较长的。 - 子之所以催化满足不了要求,是因为它的寿命嫌短了些。而反质子也是可以催化核聚变的。 作为反物质粒子的反质子,除有电磁相互作用外,还有核力相互作用,即在距原子核太近时会被拉入原子核,与核内质子湮灭; 同时在遇到质子时也会发生湮灭而消失。由此反质子在催化核聚变中的寿命就不是反质子的寿命,而是反质子在催化核聚变系统中湮灭的时间了。 用反质子催化核聚变当然要首先花费能量生产反质子。在催化核聚变或控制过程中,反质子又可能与质子湮灭,其又将能量释放在反应系统中,即生产反质子的能量又会在聚变系统中得到回收,所差值只是在能量转换中的效率损失部分。而反质子催化的核聚变放出的能量则成为净获得能量。这从能量收益上应当是更易盈余的。 由此反质子催化核聚变可能是人类将来能源的较优形式 。 四 反质子催化核聚变的估计 反质子的质量是电子质量的1836倍,由(2)、(3)式可知,其奇特原子半径将会变小1836倍,核振动能将会增大43倍,由此聚变反应 : （ｐ + ＋ｄ） ｐ- ── ３ Ｈｅ＋ ＋ｐ - ＋5.4Ｍｅｖ （ｄ＋ｄ） ｐ- －──ｔ＋ｐ ＋ ＋ｐ - ＋4.03Ｍｅｖ （ｄ＋ｄ） ｐ- －── ３ Ｈｅ＋ｎ＋ｐ - ＋3.26Ｍｅｖ （ｄ＋ｔ） ｐ- －── ４ Ｈｅ＋ｎ＋ｐ - ＋17.59Ｍｅｖ 发生的几率将大大增加,在常温下也会有可观数量的聚变反应发生 。 在只考虑电磁相互作用及湮灭的情况下,反质子催化核聚变的产额为 : 　　　　　　　（４） 其中 ｄ 为反应系统中氘的密度, ｐ 为反应系统中质子(氢)的密度, ｃ 为反质子催化循环率, 为反质子在反应系统中的漏失(损失)率, ｐｐ- 为反正质子的湮灭截面,Ｗ为聚变反应中产生质子的权因子。由此可以看出聚变反应率的大小完全由系统中质子的多少而定,即向系统中充入氢气可以有效的控制聚变反应的进行。 这显然对控制 、利用聚变能是极有利的 。 事实上反质子在系统中的损失是不可能为零的。因为除反质子与氢湮灭外,还有可能与原子核内的质子发生湮灭。这种原子核可能是反应物中的原子核,也可能是系统结构材料的原子核。由此在设计装置时,应尽可能避免使反质子与反应物质外的其它物质如装置的壁材料接触。 任何一个能源装置,都必然的要不断填入燃料,不断排出废物,由此反应系统中决不会是一个定态过程。为了保持系统能量输出的稳定性,则要使系统中的燃料、催化剂保持在平衡态,即要不停的补充损耗的燃料及催化剂,不停的排出废物。且这应是一个平衡态过程。在平衡态的情况下,单位体积中损失的反质子数为: ｎ＝ ｄ ｐ- ＜ｖ ｄｐ- ＞＋Ｗ ｄ ｃ ｐ-ｐ + 　　　　　　 （６） 其中 ｄ 、 ｐ- 为系统中反质子的密度,＜ｖ ｄｐ- ＞是乘积ｖ ｄｐ- 在速度空间的统计平均值, ｐ-ｐ + 是反质子与氘核内质子湮灭截面。这里略去了反应装置壁材料与反质子的湮灭损失项。稳定运行要求补充的反质子等于损失的反质子数。 如单纯从反质子损耗来看,选择氘氚聚变反应为优,因为这一反应不存在生成质子的反应道,故反质子与质子的湮灭也就不存在了,反质子的损失全由氘氚核内质子与反质子湮灭决定 。这样,一个反质子可以催化的聚变数就大大增加了。当然这时又带来了氚的防护安全问题、氚燃料来源问题及反应产生的14.1Ｍｅｖ的高能中子带来的问题。为避免放射性带来的问题,选用氘氘聚变可能更好,但这时反质子的损失将会大些。因氘氘反应中有一道产生质子的反应道 。 反质子催化核聚变的可能性正如子催化核聚变一样。早在1978年就观测到了质子、反质子组成的原子态──质子素不同能级间ｘ射线跃迁的Ｌ线 〔3〕 ,当时这一实验花了很长时间 。而在西欧核子研究中心的低能反质子环（ＬＥＡＲ）运行后,在其上很快进行了质子反质子原子ｘ射线跃迁的测量 〔4〕 。这就证明反质子可以和质子组成稳定的原子,而并不是马上湮灭。可见反质子亦可与氘、氚组成奇特原子共振分子,即反质子可以催化核聚变反应 。 要想证实反质子催化核聚变并不困难,因为已经有ＬＥＡＲ在运行了。只要将 〔4〕 实验测量的装置反应室里的氢换成氘或氘氚气体,测量射线的探测器换成测量中子的探测器则可。这些都是现成的装置及测量技术,只是为新的研究进行新的组合 。 五 太阳能源的猜想 现在认为太阳上的核聚变过程为 : 这是碳氮氧循环。其都是氢聚变成氦的过程,有中微子产生。而现在认为太阳中心温度为1.5１０ ７ Ｋ,其等离子粒子平均动能仅为1.3ｋｅＶ左右。这样大的动能下距克服核位垒相差尚远。更不要说太阳表面温度仅为6000Ｋ（等离子粒子平均动能仅为0.8ｅＶ左右）,要实现核聚变更难,故一般认为核聚变反应只发生在太阳核心部分。而事实上观察到太阳表面有光斑、谱斑、米粒组织、网斑、针状物、耀斑、日珥、黑子等等,这些都是在太阳近表面有聚变反应甚至激烈聚变的迹象。尤其太阳中微子与黑子的逆相关关系,更表明核聚变是发生在太阳的近表面部分。这也就是说太阳表面进行的是低温低压核聚变反应,这种反应只能是催化核聚变反应。 太阳上的催化核聚变反应不可能是子催化核聚变,也不可能是寿命更短的负荷电粒子催化核聚变反应,只能是反质子催化核聚变。由于反质子催化核聚变过程中必然要与氢发生湮灭反应,并放出能量。估计在太阳上每个质子平均可能要催化二百次左右氢聚变成氦的反应,而后湮灭。这样太阳上放出的能量表象上湮灭反应能与核聚变反应能各占一半左右,而实质上太阳能源完全是靠正、反物质湮灭能所提供 。 这存在很多问题。这里只先简要猜测说明,大量的研究尚待以后深入发展。 太阳上的反质子是从那里来的？ 太阳上的反质子是太阳上所具有的。即太阳核心部分是由反物质组成的,其质量大小为太阳质量的小一半左右。也就是说恒星都是反、正物质构成的,星球内外层是由反、正两种不同的物质组成。恒星能源是正反物质湮灭所放出的能量。 太阳上的正反物质为什么能共处在一起？而不是马上湮灭？ 反正物质只有在单粒子状态下相遇才会湮灭,而在各自组成团后,团与团是不可能发生湮灭反应的。即在星球内层的反物质是以原子或原子核状态存在,且其都是核子数大于４的元素,即是由氦核以上的原子组成。要想使正反氦核湮灭,其库仑位垒是第一道障碍,核力位垒是第二道障碍。由此要想湮灭必须首先将原子核分裂开成核子,而后反正核子才可能湮灭。这就需要有极高的温度压力才可能。如要想把氦核分成核子,则要求有大于核结合能的能量(大于25ＭｅＶ)才行。这也许正是恒星内核具有高密度的原因。 这与恒星演化的现实理论矛盾吗？ 确有矛盾之处,但也有相融之处。现在认为也被观测所证实,恒星是由旋转着的星云收缩而形成的,而这旋转着的星云存在着的电磁场正好使产生的正负带电粒子运动指向相反,若负电粒子向内,则正电粒子则向外,由此形成了正反物质的内外分布。这显然也同时解释了正反物质在宇宙中不对称的矛盾。即正反物质是对称的,且它是对称在星球自身上。这与现代恒星最后演化成为黑洞的说法不相融。因为恒星的最后结局是组成它的物质几乎都变成辐射能失去了,不大可能收缩成黑洞。 这与大爆炸宇宙论相矛盾吗？ 从表面上看没明显的矛盾。但从骨子里这是不同的观念引伸出的不同认识。大爆炸论认为宇宙有个开始,即宇宙有时空的绝对零点,宇宙中的一切都在这时空中的特定位置上发生发展着.而这正反物质共同构成的星球、星系,是允许星球、星系及宇宙中的一切物质运动可以产生、发展以至死亡的发展变化的,但宇宙并不存在一个特定的时空零点,更没有一个特定的终点。至于由反正物质组成宇宙,对所谓支持大爆炸的观测事实,如微波背景３Ｋ辐射、星体红移等,可以有另外的解释,而不一定是特定支持大爆炸的膨胀说法 。 这与现代粒子物理矛盾吗？ 不,这恰好为粒子物理提供了又一大研究课题。粒子与反粒子的相互作用,尤其是不同粒子反粒子的相互作用,其是现在所认识的物质相互作用还是又有新的相互作用形式呢？它们会怎样共处在一个系统中呢 ？等等 。 这与现代核物理观念矛盾吗 ？ 并不,这里提出了核物理的几个新领域,催化核聚变或催化核反应,这可能是使核反应应用的一个新途径,还可能给加速器越做越大一个转机。同时还有正物质原子核与反物质原子核的共处问题研究,即它们会不会形成一种密度极高的物质形态 ？它们的相互作用怎样？等等。 当然,还可以提出很多很多问题 。 宇宙中人们未知的东西很多,而隋着认识的深度广度的发展,人们会提出更多的问题。尤其是人不能直接与之发生相互作用的事物,认识起来就更加困难,主要是靠间接的推论、猜想与观察、实验。这样在没有确定结论前,应当是百花齐放百家争鸣,这才有利于认识的发展。只是一种模式,到一定程度后,认识只能会停滞不前。尤其只在一种模式下,靠加各种修正,类似在本轮上加均轮的方法来加深认识,更易将人引入认识的岐途 。 参考文献 . John N.Bahcall 科学 9(1990) 9. . L.W.Alvarez et al. Phys. Rev. 105 (1957) 1127. . E.G.Auld et al. Phys. Lett. 77B,4,5 (1978) 454. . S.Ahmad et al. Phys. Lett. 157B,4 (1985) 333.
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近百年反物质研究大事记
热度 1 自我源于思考 2010-11-20 00:41
英国《自然》杂志网站 11 月 17 日刊登研究报告，称欧洲核子研究中心从 1000 万个反质子和 7 亿个正电子中，共形成了 38 个稳定的反氢原子，并将反氢原子的存在时间延长到 0.17 秒左右。 这个消息不但对于物理学界，对于整个世界来说都是振奋人心的，因为 0.17 秒的时间太不可思议了，许多反粒子的生存周期是以微秒乃至皮秒计算的。这一成就应当列为今年科学成就之首。文章总结了近百年来的反物质研究情况，与大家讨论。 1923 年，俄国物理学家 Dmitri Skobeltsyn 在云室中观察到了正电子轨迹，他对实验现象非常困惑，也未进一步研究。（云室是观察粒子轨迹的实验装置。在云室中充入过饱和的乙醚等气体，当粒子进入云室，其运行轨道将出现液滴线，并被记录。通过外加磁场测量带电荷粒子的偏转方向及半径就可以确定粒子的性质。） 1928 年，英国物理学家狄拉克建立了相对论电子理论，首次从理论上论证了正电子的存在。这个理论把相对论、量子和自旋等概念结合起来，得出了狄拉克方程。通过该方程，狄拉克认为：电子可以有反粒子。这种反粒子除了电性和电子相反外，一切性质和电子相同。 1929 年，我国赵忠尧在美国加州理工密立根教授的实验室攻读博士学位。他在进行轻重元素对伽马射线的吸收系数研究中，发现了一种特殊辐射。这种辐射的能量大约等于一个电子的质量，且它的角分布大致为各向同性。这就是世界上首次观测到的正、负电子相遇而产生的湮灭现象。 ( 正负电子湮灭时放出两个伽玛光子，每个能量为 0.511MeV 。 ) 1932 年，卡尔安德森拍到了世界上第一张正电子的轨迹照片，宣布自己发现了狄拉克所预测的正电子。他发现，宇宙射线进入云室穿过铅板后，轨迹发生了弯曲。而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样，但是弯曲的方向却错了。随后，安德森又用射线轰击铊 208 的方法产生了正电子（与赵忠尧的实验相仿）。且正电子总是和普通电子成对地产生，它们所带的电荷相反，在磁场里总是弯向不同的方向。 值得一提的是，安德森与赵忠尧同为密立根教授的学生，两人实验室也紧邻，并且两人于 1930 年同时毕业。随后，安德森留校，继续他的研究工作；而赵忠尧则回国就任清华大学物理学教授，与吴有训等人一起开创了国内的核物理学教育、研究工作。 1933 年，狄拉克提出反物质存在的假设。假定了真空极化效应的存在。 1934 年泡利与克拉夫证明，即使不能形成稳定的负能粒子海（狄拉克为了解释电子稳定存在，而依据泡利不相容原理提出的一个概念），也会有相应的反粒子存在。 （ 1935 年，吴有训邀请狄拉克到我国访问。当年 7 月，狄拉克在清华大学就正电子有关问题发表演讲。） 1954 年，在加大柏克利的劳伦斯辐射实验室，建成了 64 亿电子伏的质子同步稳相加速器 Bevatron ，这是当时世界上最大的质子加速器。 1954 年，欧洲各国物理学家集中力量，效仿美国，在瑞士日内瓦创建欧洲粒子物理研究所， CERN (Conseil Europen pour la Recherche Nuclaire) 。 1955 年，费米的两个学生，张伯伦和西格雷在加大柏克利，用 Bevatron 把质子加速到 6.2GeV ，打到铜靶上，然后用磁装置及切连科夫计数器进行探测，并对反质子轰击原子核过程进行拍照，证明反质子的存在。 根据狄拉克的理论，反质子的质量与质子相同，所带电荷相反，质子与反质子成对出现或湮没，用两个普通的质子碰撞便可获得反质子，但反质子的产生阈能为 6.8GeV 。 1956 年，也是在加大柏克利，考克（ Bruce Cork ）等人在Bevatron上，也用计数器方法显示了反中子的存在。他们是利用反质子与原子核碰撞，反质子把自己的负电荷交给质子，或由质子处取得正电荷，这样，质子变成了中子，而反质子则变成了反中子。 1961 年， James Robertson 等人，在美国 Brookhaven 国家实验室制成了世界第一台正电子单板扫描仪(PET)。其原理是：正电子放射性核素（如可食入人体的正电子放射性葡萄糖）辐射正电子，与电子接触会生成发射方向互为 180 的湮灭辐射光子对，在两个方向分别进行接收，然后通过计算机成像技术，就可以探测到人体内部状况。目前通常把 这一技术 与 CT 结合应用，以获得更准确的功能代谢图像。 1964 年，伯克利的阿尔瓦雷斯（ L.W.Alvarez ）率领学生及工程人员建造了一个长达 7 米长的氢泡室（里面充满临近沸点的液态氢，它与云室的结构原理相似，只是粒子进入后会产生由泡标示的轨迹）。通过这一技术， L.W.Alvarez 发现了众多粒子和相应的反粒子，并发现了粒子共振态。他与研究人员还希望通过这一设备发现来自太空的较重的反物质，如反碳原子，或反氧原子，但并未成功。（ L.W.Alvarez 在质子同步稳相加速器 Bevatron 的建造中也起到了领导作用，其 idea 来源于在他曼哈顿计划中接触到的雷达方面的知识。） 1976 年左右，卢比亚（ C. Rubbia ）来到 CERN ，着手进行发现 W 子的计划。这一计划要求质子与反质子在临近光速下碰撞。于是就有了 Simon van der Meer 发明的随机冷却技术，即把反质子收集到储存环中，让它不停运动，并控制它的速度和密集度。 1979 年，美国科学家把一个有 60 层楼高的巨大气球放到离地面 35 公里的高空，气球上载有一些十分灵敏的探测仪器。结果，它在高空猎取了 28 个反质子。这是第一次在地球以外发现反物质。 1982 年， CERN 建成低能量反质子环（ Low Energy Antiproton Ring (LEAR) ）。用来对反质子减速、储存。 1995 年， Walter Oelert 小组在 CERN 第一次制造出了反氢原子，它由一个反质子与一个正电子组成，为氢原子的镜相结构。当反质子轰击氙元素时，就会产生正负电子对，而正电子被反质子俘获时，便形成了反氢原子。 1998 年的夏天，美国宇航局把阿尔法磁谱仪一号送上了太空，其作用之一就是探测宇宙空间的反物质。 2000 年， CERN 宣布，它建造的新一代反质子减速器投入使用。 2009 年，上海应用物理研究所与国外研究小组合作，在美国布鲁克海文国家实验室（ BNL ）的相对论重离子对撞机（ RHIC ）上，通过反氦 3 和 + 介子衰变道，探测到反超氚核。它是一个由反 超子和一个反质子、反中子聚合形成的束缚态，质量为 2.9910.0010.002 GeV ，寿命在 200 皮秒左右，和自由反 超子的寿命相当。为目前发现的最重的反物质原子核，也是第一个含有反奇异夸克的反物质原子核。 2010 年， CERN 宣布，在制造出数个反氢原子后，借助特殊的磁场，首次成功地使其存在了较长时间约 0.17 秒。 2011 年 2 月（预测），丁肇中主持的国际探测反物质研究团队，将把阿尔法磁谱仪二号送上太空。本仪器多个部件由我国设计制造。
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反了，真的反了。【外星人，时光机，宇宙大爆炸，反物质，黑洞】
sheep021 2010-11-19 13:24
按：继外星人、时光穿梭机之后，迷你版宇宙大爆炸、反物质和黑洞又不约而同地光临地球，实在是现代物理学的一大盛事。也是人类的一大眼福。老天连降祥瑞，可喜可贺哦 人类首次捕获到反物质 500克能量可超过氢弹 欧洲科学家成功制造出多个反氢原子，并使其存在了0．17秒，这是物理学界的突破性发现，也是人类首次捕获到反物质。500克反物质的破坏力可以超过世界上最大的氢弹。 反物质至今都是物理学领域的一大谜团。我们周围环境中的物质是正物质，它由原子组成，原子由带正电的质子和带负电的电子以及中性的中子组成。与此相反，由带负电的质子和带正电的电子组成的物质就是反物质。 反物质只要和正物质相遇就会湮灭，因此虽然现行理论认为宇宙从大爆炸中诞生时产生了等量的正物质和反物质 ，但我们很难在宇宙中找到反物质 。 【 本博注：这句话是不是自相矛盾？ 宇宙从大爆炸中诞生时产生了等量的正物质和反物质难道永远不会相遇？ 既然这样，物质无处不在，那反物质产生之后跑哪里去了？】 鉴于反物质接触容器壁后便即消失，研究人员利用特殊磁场对反物质加以捕获。 【 本博注：容器壁是物质，可与反物质湮灭。磁场难道不是物质？ 物理学说磁场是一种特殊的物质，难道还有一种介于物质和反物质之间的一种特殊物质？ 】 外一则： 欧洲大型强子对撞机创造 迷你 版 宇宙大爆炸 外二则： 美国发现30岁 最年轻 黑洞 天文学家15日报告说，他们在邻近宇宙中观测到已知最年轻黑洞存在的迹象。这一黑洞年纪仅有30岁左右，它有望为科学家研究黑洞如何从婴儿状态开始演化提供独特机会。这也是人类科学史上发现的最年轻的黑洞。该黑洞是代号为SN1979C的超新星爆炸的遗骸。 该超新星所处的M100星系距离地球约5000万光年 。【 诞生于5000万光年以前的30岁的黑洞，像不像是一个年轻的老人呢 】
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认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证“C宇宙模型”
池顺良 2010-8-11 09:11
戴文赛先生的信.doc 认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证 C 宇宙模型 0. 前 言 C 宇宙模型是一个物理图像简单而又清楚的模型。但要 C 宇宙模型被接受，需要有更多观测事实和实验证据的支持。 膨胀和膨胀加速已被观测到。但至今未观测到存在反物质星系。也没有正物质与反物质间牛顿相互作用相斥的实验证据。后两项证据上能否取得进展将决定 C 宇宙模型的命运。 1. 宇宙中反物质的搜寻 宇宙中有没有反物质组成的天体，不是理论分析能解决的问题，只能通过观测来回答。 从微观上看，粒子和反粒子的电磁作用和强作用性质相同，我们限于观测天体的电磁辐射是无法区别天体由物质或反物质组成。中微子和反中微子能带来区分正反物质的信息，但今天我们还难以接受远处天体的中微子辐射。最后，我们只能依靠粒子与反粒子湮灭发出的特征性的伽玛射线来识别。 银河系空间充满稀薄的星际气体，还有宇宙射线粒子在飞行。它们不与任何一个恒星湮灭而发出特征性的伽玛射线，表明银河系内没有反物质星体。这样的观察已经延伸到本星系群范围，因此天文学家已能肯定，在我们周围几千万到上亿光年范围内没有反物质星系。 在一些理论家看来， 上亿光年范围内没有反物质星系，几乎等于肯定了全宇宙没有反物质星系。理由是如果宇宙中正反物质是等量的，按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。 这样的结论似乎早了些。 按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。的判断是建立在支配宇观世界运动的相互作用是万有引力的认识基础上的。如果这种相互作用不只是万有引力，还有异种物质相斥的万有斥力，情况就会完全不同了。 在同性相吸异性相斥的相互作用下，正反物质各自聚合成巨大的正反物质团，异种物质团相互排斥而远离，即正反物质团的分离是必然会发生的。 从巡天观察结果看， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布是均匀的。因此，在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元很可能是超星系团。超星系团的尺度达到数亿光年。这就是说， 反物质星系离我们的距离有数亿光年。在这样远 的地方少量的宇宙线粒子与异种物质发生湮灭，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。 我们 发现湮灭作用的灵敏度能否达到这样远的距离还有问题。由于正反星系间强大的万有斥力，正反星系间不会发生碰撞和 湮灭。 寻找宇宙中的反物质仍是挑战性的课题。 1998 年发射上天的谱仪（ AMS ）的重要目的就是寻找远处的反物质天体。只要 AMS 探测到一例反氦核就将是远处有反物质星系存在的有力证据。宇宙学理论就将发生翻天覆地的大变化。 让我们耐心等待观察结果吧。 2. 吴永汉、倪光炯老师也主张修改万有引力定律 在牛顿宇宙中，存在齐利格引力矛盾。在爱因斯坦宇宙中，爱氏在方程中人为加进宇宙项，以抗衡引力；之后又放弃宇宙项，承认是个错误； 1998 年天文观测发现宇宙膨胀不是减速而是加速后，宇宙项又被捡起。如此反复，根源均在这是个只以吸引为基础的物质理论，而无与之相当的排斥之故。 如果我们认为物质世界的层次是不可穷尽的，牛顿相互作用必须在更大范围内有自身完全抵消的可能。就是说，牛顿相互作用应该和库仑相互作用类似，既有吸引又有与之相当的排斥。即牛顿万有引力定律 F （ r ）＝－ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 1 ） 应该推广为 F （ r ）＝ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 2 ） 其中负号适用于 m 1 与 m 2 都是物质或都是反物质的情形，而正号则适用于不同物质之间的情形。这就是说，正反物质之间是斥力而非引力。 在这个既有吸引又有与之相当的排斥 的物质体系中，宇宙（实则是总星系）将从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。 这样的推广在物理上有根据吗？ 2001 年，云南大学吴永汉、张中明、翟应田老师在 云南大学学报 上发表 万有斥力和正反物质世界的对称性 一文，提出了 总星系由相等数量正反物质构成。并提出同类物质相吸、异类物质相斥的看法。 文章进一步谈到， 在较小范围内存在高能量密度的大量高能光子辐射产生大量正反粒子对时。如果正反原子或分子物质之间都同样是万有引力，正反原子或分子物质的产生与湮没几率相同，正反物质的混沌状态将会长时间持续下去。同性吸引、异性相斥导致正反原子或分子间碰撞几率发生变化。同类原子或分子之间因吸引就稍微容易碰撞并聚集，异类原子或分子之间因斥力就稍微不容易碰撞并分离。同类物质聚集成团的质量越大，异类物质因斥力就愈加彼此分开，碰撞湮没的几率就越小。经过漫长时间的演变，最终形成了我们宇宙中一些区域是正物质组成的星系，而另一些区域是反物质组成的星系。因正、反星系间巨大的斥力致使碰撞湮没的几率降低得很小很小。 由此提出如下假设： 假设 1. 在我们所能观测到的宇宙中正反物质的数量是对称的。 假设 2. 正物质与反物质的引力质量是相反的，即同类物质之间是万有引力；异类物质之间是万有斥力。 上述假设与传统的万有引力概念相去甚远，但以前在我们这个正物质世界中总结出的几乎所有物理规律都是成立的。在反物质世界也是类似情况。但在研究我们观察的整个宇宙的结构和演化时，就必须考虑正反物质的万有引力和万有斥力在整个宇宙中同时存在所造成的影响。 文章指出， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布基本上是均匀的。 因此，文章认为在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元是超星系团。文章还提出了一个检验万有斥力的实验方案。 复旦大学倪光炯老师在他 2003 年出版的 《高等量子力学》 一书中有一节反引力和宇宙学。他根据量子力学原理认为正反物质间不是万有引力而是万有斥力。将万有引力定律推广到包含正、反物质的体系，成为由式（ 2 ）表示的同性相吸、异性相斥的广义牛顿相互作用定律。并从量子力学角度讨论了宇宙中的反物质，认为宇宙中的物质和反物质的数量应该相等。书中谈到： 通常认为目前宇宙中正、反物质之比高达 10 8 ： 1 ，可能起源于微小的 CP 不守恒。我们不相信这种说法我们宁可相信整个宇宙的正粒子数目等于反粒子数目 。 这样我们便懂得目前宇宙在整体上的平坦性（由最近对宇宙微波背景辐射的起伏作精密测量而证明）是由于两个因素：一是由正反粒子间斥力触发的膨涨，二是膨涨后宇宙的一大部分范围内正反物质的密度近于相等。因在宇宙很大一部分区域中的物质密度接近于反物质密度，由此可见，在正反物质共存的情况下，广义相对论中所谓的 等效原理一定不能成立 。因此，爱因斯坦方程不再适于描述这个宇宙。 在这样的宇宙中，由于正反物质的对称性以及引力与斥力同时存在，不会有所谓的齐利格佯謬。万有引力和万有斥力一起同时作用，同类物质团越聚越大，斥力又驱使异种物质团分离，使宇宙加速膨胀，并自动调节大区域物质密度的均匀性。一个包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的宇宙将显得更加对称。 3. 异种物质相斥的实验验证 物质与反物质间究竟是万有引力或是万有斥力，只有反物质在地球重力场中行为的实验可以给出最终结论。 1991 年，朱棣文制成原子干涉重力仪。表明测量低速中性原子的重力加速度可达到很高精度。用中性的反氢原子作落体，应该可以得出反物质在地球重力场中究竟是下落还是上升，即正反物质间是吸引还是排斥的实验结论。 关键是实验验证。一千篇文章也比不过一个有确实结论的实验结果。物理学家手中现在已经有了反氢原子，也有了控制这些中性原子的技术。中国的原子物理学家有能力先作出实验结果吗？ 如果实验结果支持物质与反物质间是万有斥力，那么即使还没有能够观测到反物质星系， C 宇宙模型就能成为宇宙学的一个资用假说。若 AMS 探测到一例反氦核事例，证明宇宙中存在反物质， C 宇宙模型就能发展为宇宙学的新理论。 反之，若中性的反氢原子在地球重力场中与正物质一样下落， C 宇宙模型就被否定。 参考文献： 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社， 2010 年， 99 ～ 111. 吴永汉、张中明、翟应田，万有斥力和正反物质世界的对称性，云南大学学报， 2001,23(1) ： 27 ～ 31. 倪光炯、陈苏卿，高等量子力学，复旦大学出版社， 2003,417 ～ 421.
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认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证“C宇宙模型”
池顺良 2010-8-11 08:58
认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证 C 宇宙模型 0. 前 言 C 宇宙模型是一个物理图像简单而又清楚的模型。但要 C 宇宙模型被接受，需要有更多观测事实和实验证据的支持。 膨胀和膨胀加速已被观测到。但至今未观测到存在反物质星系。也没有正物质与反物质间牛顿相互作用相斥的实验证据。后两项证据上能否取得进展将决定 C 宇宙模型的命运。 1. 宇宙中反物质的搜寻 宇宙中有没有反物质组成的天体，不是理论分析能解决的问题，只能通过观测来回答。 从微观上看，粒子和反粒子的电磁作用和强作用性质相同，我们限于观测天体的电磁辐射是无法区别天体由物质或反物质组成。中微子和反中微子能带来区分正反物质的信息，但今天我们还难以接受远处天体的中微子辐射。最后，我们只能依靠粒子与反粒子湮灭发出的特征性的伽玛射线来识别。 银河系空间充满稀薄的星际气体，还有宇宙射线粒子在飞行。它们不与任何一个恒星湮灭而发出特征性的伽玛射线，表明银河系内没有反物质星体。这样的观察已经延伸到本星系群范围，因此天文学家已能肯定，在我们周围几千万到上亿光年范围内没有反物质星系。 在一些理论家看来， 上亿光年范围内没有反物质星系，几乎等于肯定了全宇宙没有反物质星系。理由是如果宇宙中正反物质是等量的，按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。 这样的结论似乎早了些。 按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。的判断是建立在支配宇观世界运动的相互作用是万有引力的认识基础上的。如果这种相互作用不只是万有引力，还有异种物质相斥的万有斥力，情况就会完全不同了。 在同性相吸异性相斥的相互作用下，正反物质各自聚合成巨大的正反物质团，异种物质团相互排斥而远离，即正反物质团的分离是必然会发生的。 从巡天观察结果看， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布是均匀的。因此，在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元很可能是超星系团。超星系团的尺度达到数亿光年。这就是说， 反物质星系离我们的距离有数亿光年。在这样远 的地方少量的宇宙线粒子与异种物质发生湮灭，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。 我们 发现湮灭作用的灵敏度能否达到这样远的距离还有问题。由于正反星系间强大的万有斥力，正反星系间不会发生碰撞和 湮灭。 寻找宇宙中的反物质仍是挑战性的课题。 1998 年发射上天的谱仪（ AMS ）的重要目的就是寻找远处的反物质天体。只要 AMS 探测到一例反氦核就将是远处有反物质星系存在的有力证据。宇宙学理论就将发生翻天覆地的大变化。 让我们耐心等待观察结果吧。 2. 吴永汉、倪光炯老师也主张修改万有引力定律 在牛顿宇宙中，存在齐利格引力矛盾。在爱因斯坦宇宙中，爱氏在方程中人为加进宇宙项，以抗衡引力；之后又放弃宇宙项，承认是个错误； 1998 年天文观测发现宇宙膨胀不是减速而是加速后，宇宙项又被捡起。如此反复，根源均在这是个只以吸引为基础的物质理论，而无与之相当的排斥之故。 如果我们认为物质世界的层次是不可穷尽的，牛顿相互作用必须在更大范围内有自身完全抵消的可能。就是说，牛顿相互作用应该和库仑相互作用类似，既有吸引又有与之相当的排斥。即牛顿万有引力定律 F （ r ）＝－ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 1 ） 应该推广为 F （ r ）＝ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 2 ） 其中负号适用于 m 1 与 m 2 都是物质或都是反物质的情形，而正号则适用于不同物质之间的情形。这就是说，正反物质之间是斥力而非引力。 在这个既有吸引又有与之相当的排斥 的物质体系中，宇宙（实则是总星系）将从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。 这样的推广在物理上有根据吗？ 2001 年，云南大学吴永汉、张中明、翟应田老师在 云南大学学报 上发表 万有斥力和正反物质世界的对称性 一文，提出了 总星系由相等数量正反物质构成。并提出同类物质相吸、异类物质相斥的看法。 文章进一步谈到， 在较小范围内存在高能量密度的大量高能光子辐射产生大量正反粒子对时。如果正反原子或分子物质之间都同样是万有引力，正反原子或分子物质的产生与湮没几率相同，正反物质的混沌状态将会长时间持续下去。同性吸引、异性相斥导致正反原子或分子间碰撞几率发生变化。同类原子或分子之间因吸引就稍微容易碰撞并聚集，异类原子或分子之间因斥力就稍微不容易碰撞并分离。同类物质聚集成团的质量越大，异类物质因斥力就愈加彼此分开，碰撞湮没的几率就越小。经过漫长时间的演变，最终形成了我们宇宙中一些区域是正物质组成的星系，而另一些区域是反物质组成的星系。因正、反星系间巨大的斥力致使碰撞湮没的几率降低得很小很小。 由此提出如下假设： 假设 1. 在我们所能观测到的宇宙中正反物质的数量是对称的。 假设 2. 正物质与反物质的引力质量是相反的，即同类物质之间是万有引力；异类物质之间是万有斥力。 上述假设与传统的万有引力概念相去甚远，但以前在我们这个正物质世界中总结出的几乎所有物理规律都是成立的。在反物质世界也是类似情况。但在研究我们观察的整个宇宙的结构和演化时，就必须考虑正反物质的万有引力和万有斥力在整个宇宙中同时存在所造成的影响。 文章指出， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布基本上是均匀的。 因此，文章认为在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元是超星系团。文章还提出了一个检验万有斥力的实验方案。 复旦大学倪光炯老师在他 2003 年出版的 《高等量子力学》 一书中有一节反引力和宇宙学。他根据量子力学原理认为正反物质间不是万有引力而是万有斥力。将万有引力定律推广到包含正、反物质的体系，成为由式（ 2 ）表示的同性相吸、异性相斥的广义牛顿相互作用定律。并从量子力学角度讨论了宇宙中的反物质，认为宇宙中的物质和反物质的数量应该相等。书中谈到： 通常认为目前宇宙中正、反物质之比高达 10 8 ： 1 ，可能起源于微小的 CP 不守恒。我们不相信这种说法我们宁可相信整个宇宙的正粒子数目等于反粒子数目 。 这样我们便懂得目前宇宙在整体上的平坦性（由最近对宇宙微波背景辐射的起伏作精密测量而证明）是由于两个因素：一是由正反粒子间斥力触发的膨涨，二是膨涨后宇宙的一大部分范围内正反物质的密度近于相等。因在宇宙很大一部分区域中的物质密度接近于反物质密度，由此可见，在正反物质共存的情况下，广义相对论中所谓的 等效原理一定不能成立 。因此，爱因斯坦方程不再适于描述这个宇宙。 在这样的宇宙中，由于正反物质的对称性以及引力与斥力同时存在，不会有所谓的齐利格佯謬。万有引力和万有斥力一起同时作用，同类物质团越聚越大，斥力又驱使异种物质团分离，使宇宙加速膨胀，并自动调节大区域物质密度的均匀性。一个包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的宇宙将显得更加对称。 3. 异种物质相斥的实验验证 物质与反物质间究竟是万有引力或是万有斥力，只有反物质在地球重力场中行为的实验可以给出最终结论。 1991 年，朱棣文制成原子干涉重力仪。表明测量低速中性原子的重力加速度可达到很高精度。用中性的反氢原子作落体，应该可以得出反物质在地球重力场中究竟是下落还是上升，即正反物质间是吸引还是排斥的实验结论。 关键是实验验证。一千篇文章也比不过一个有确实结论的实验结果。物理学家手中现在已经有了反氢原子，也有了控制这些中性原子的技术。中国的原子物理学家有能力先作出实验结果吗？ 如果实验结果支持物质与反物质间是万有斥力，那么即使还没有能够观测到反物质星系， C 宇宙模型就能成为宇宙学的一个资用假说。若 AMS 探测到一例反氦核事例，证明宇宙中存在反物质， C 宇宙模型就能发展为宇宙学的新理论。 反之，若中性的反氢原子在地球重力场中与正物质一样下落， C 宇宙模型就被否定。 参考文献： 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社， 2010 年， 99 ～ 111. 吴永汉、张中明、翟应田，万有斥力和正反物质世界的对称性，云南大学学报， 2001,23(1) ： 27 ～ 31. 倪光炯、陈苏卿，高等量子力学，复旦大学出版社， 2003,417 ～ 421.
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认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证“C宇宙模型”
池顺良 2010-8-11 08:42
认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证 C 宇宙模型 0. 前 言 C 宇宙模型是一个物理图像简单而又清楚的模型。但要 C 宇宙模型被接受，需要有更多观测事实和实验证据的支持。 膨胀和膨胀加速已被观测到。但至今未观测到存在反物质星系。也没有正物质与反物质间牛顿相互作用相斥的实验证据。后两项证据上能否取得进展将决定 C 宇宙模型的命运。 1. 宇宙中反物质的搜寻 宇宙中有没有反物质组成的天体，不是理论分析能解决的问题，只能通过观测来回答。 从微观上看，粒子和反粒子的电磁作用和强作用性质相同，我们限于观测天体的电磁辐射是无法区别天体由物质或反物质组成。中微子和反中微子能带来区分正反物质的信息，但今天我们还难以接受远处天体的中微子辐射。最后，我们只能依靠粒子与反粒子湮灭发出的特征性的伽玛射线来识别。 银河系空间充满稀薄的星际气体，还有宇宙射线粒子在飞行。它们不与任何一个恒星湮灭而发出特征性的伽玛射线，表明银河系内没有反物质星体。这样的观察已经延伸到本星系群范围，因此天文学家已能肯定，在我们周围几千万到上亿光年范围内没有反物质星系。 在一些理论家看来， 上亿光年范围内没有反物质星系，几乎等于肯定了全宇宙没有反物质星系。理由是如果宇宙中正反物质是等量的，按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。 这样的结论似乎早了些。 按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。的判断是建立在支配宇观世界运动的相互作用是万有引力的认识基础上的。如果这种相互作用不只是万有引力，还有异种物质相斥的万有斥力，情况就会完全不同了。 在同性相吸异性相斥的相互作用下，正反物质各自聚合成巨大的正反物质团，异种物质团相互排斥而远离，即正反物质团的分离是必然会发生的。 从巡天观察结果看， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布是均匀的。因此，在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元很可能是超星系团。超星系团的尺度达到数亿光年。这就是说， 反物质星系离我们的距离有数亿光年。在这样远 的地方少量的宇宙线粒子与异种物质发生湮灭，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。 我们 发现湮灭作用的灵敏度能否达到这样远的距离还有问题。由于正反星系间强大的万有斥力，正反星系间不会发生碰撞和 湮灭。 寻找宇宙中的反物质仍是挑战性的课题。 1998 年发射上天的谱仪（ AMS ）的重要目的就是寻找远处的反物质天体。只要 AMS 探测到一例反氦核就将是远处有反物质星系存在的有力证据。宇宙学理论就将发生翻天覆地的大变化。 让我们耐心等待观察结果吧。 2. 吴永汉、倪光炯老师也主张修改万有引力定律 在牛顿宇宙中，存在齐利格引力矛盾。在爱因斯坦宇宙中，爱氏在方程中人为加进宇宙项，以抗衡引力；之后又放弃宇宙项，承认是个错误； 1998 年天文观测发现宇宙膨胀不是减速而是加速后，宇宙项又被捡起。如此反复，根源均在这是个只以吸引为基础的物质理论，而无与之相当的排斥之故。 如果我们认为物质世界的层次是不可穷尽的，牛顿相互作用必须在更大范围内有自身完全抵消的可能。就是说，牛顿相互作用应该和库仑相互作用类似，既有吸引又有与之相当的排斥。即牛顿万有引力定律 F （ r ）＝－ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 1 ） 应该推广为 F （ r ）＝ G m 1 m 2 ∕ r 2 （ 2 ） 其中负号适用于 m 1 与 m 2 都是物质或都是反物质的情形，而正号则适用于不同物质之间的情形。这就是说，正反物质之间是斥力而非引力。 在这个既有吸引又有与之相当的排斥 的物质体系中，宇宙（实则是总星系）将从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。 这样的推广在物理上有根据吗？ 2001 年，云南大学吴永汉、张中明、翟应田老师在 云南大学学报 上发表 万有斥力和正反物质世界的对称性 一文，提出了 总星系由相等数量正反物质构成。并提出同类物质相吸、异类物质相斥的看法。 文章进一步谈到， 在较小范围内存在高能量密度的大量高能光子辐射产生大量正反粒子对时。如果正反原子或分子物质之间都同样是万有引力，正反原子或分子物质的产生与湮没几率相同，正反物质的混沌状态将会长时间持续下去。同性吸引、异性相斥导致正反原子或分子间碰撞几率发生变化。同类原子或分子之间因吸引就稍微容易碰撞并聚集，异类原子或分子之间因斥力就稍微不容易碰撞并分离。同类物质聚集成团的质量越大，异类物质因斥力就愈加彼此分开，碰撞湮没的几率就越小。经过漫长时间的演变，最终形成了我们宇宙中一些区域是正物质组成的星系，而另一些区域是反物质组成的星系。因正、反星系间巨大的斥力致使碰撞湮没的几率降低得很小很小。 由此提出如下假设： 假设 1. 在我们所能观测到的宇宙中正反物质的数量是对称的。 假设 2. 正物质与反物质的引力质量是相反的，即同类物质之间是万有引力；异类物质之间是万有斥力。 上述假设与传统的万有引力概念相去甚远，但以前在我们这个正物质世界中总结出的几乎所有物理规律都是成立的。在反物质世界也是类似情况。但在研究我们观察的整个宇宙的结构和演化时，就必须考虑正反物质的万有引力和万有斥力在整个宇宙中同时存在所造成的影响。 文章指出， 超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布基本上是均匀的。 因此，文章认为在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元是超星系团。文章还提出了一个检验万有斥力的实验方案。 复旦大学倪光炯老师在他 2003 年出版的 《高等量子力学》 一书中有一节反引力和宇宙学。他根据量子力学原理认为正反物质间不是万有引力而是万有斥力。将万有引力定律推广到包含正、反物质的体系，成为由式（ 2 ）表示的同性相吸、异性相斥的广义牛顿相互作用定律。并从量子力学角度讨论了宇宙中的反物质，认为宇宙中的物质和反物质的数量应该相等。书中谈到： 通常认为目前宇宙中正、反物质之比高达 10 8 ： 1 ，可能起源于微小的 CP 不守恒。我们不相信这种说法我们宁可相信整个宇宙的正粒子数目等于反粒子数目 。 这样我们便懂得目前宇宙在整体上的平坦性（由最近对宇宙微波背景辐射的起伏作精密测量而证明）是由于两个因素：一是由正反粒子间斥力触发的膨涨，二是膨涨后宇宙的一大部分范围内正反物质的密度近于相等。因在宇宙很大一部分区域中的物质密度接近于反物质密度，由此可见，在正反物质共存的情况下，广义相对论中所谓的 等效原理一定不能成立 。因此，爱因斯坦方程不再适于描述这个宇宙。 在这样的宇宙中，由于正反物质的对称性以及引力与斥力同时存在，不会有所谓的齐利格佯謬。万有引力和万有斥力一起同时作用，同类物质团越聚越大，斥力又驱使异种物质团分离，使宇宙加速膨胀，并自动调节大区域物质密度的均匀性。一个包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的宇宙将显得更加对称。 3. 异种物质相斥的实验验证 物质与反物质间究竟是万有引力或是万有斥力，只有反物质在地球重力场中行为的实验可以给出最终结论。 1991 年，朱棣文制成原子干涉重力仪。表明测量低速中性原子的重力加速度可达到很高精度。用中性的反氢原子作落体，应该可以得出反物质在地球重力场中究竟是下落还是上升，即正反物质间是吸引还是排斥的实验结论。 关键是实验验证。一千篇文章也比不过一个有确实结论的实验结果。物理学家手中现在已经有了反氢原子，也有了控制这些中性原子的技术。中国的原子物理学家有能力先作出实验结果吗？ 如果实验结果支持物质与反物质间是万有斥力，那么即使还没有能够观测到反物质星系， C 宇宙模型就能成为宇宙学的一个资用假说。若 AMS 探测到一例反氦核事例，证明宇宙中存在反物质， C 宇宙模型就能发展为宇宙学的新理论。 反之，若中性的反氢原子在地球重力场中与正物质一样下落， C 宇宙模型就被否定。 参考文献： 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社， 2010 年， 99 ～ 111. 吴永汉、张中明、翟应田，万有斥力和正反物质世界的对称性，云南大学学报， 2001,23(1) ： 27 ～ 31. 倪光炯、陈苏卿，高等量子力学，复旦大学出版社， 2003,417 ～ 421.
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人借助“镜像人”达到光速-----生活幻想曲
yanghualei 2010-8-10 16:55
根据狄拉克预言反物质的存在， 并且已经证实了的确存在 反物质有反粒子构成， 在构成上 反粒子 除了电荷以外 与正粒子没有其它 差别性 ； 电子带负电 ，质子带正电；反 电子带正 电，反质子 带负电 根据已知 理论 ，存在正负粒子的湮灭 效应 ， 即正反粒子一接触就会湮灭， 作用时间非常短，同时产生中性粒子和光子 、 介子 。 现在回到正题上 人 类由正物质 构成， 假如存在镜像人即有反物质构成的人 当 正人和反人一作用 便 产生光子 介子 中性粒子啊 ，就可以在宇宙中以光速前进 ，避免宇宙的伤害了。 做的方案： 先把人与反人进行加密生成光信号，然后以光速达到目的地，再按照一定初始逆程序进行解密重新编码人类，把光子分解为正人和反人构件，进行重组和隔离。 技术与理论上的可行性 1. 现在一个问题 是反生命怎么寻找，反生命的寻找归结为反粒子的寻找；而现在人类已经在以每秒多少反粒子的速度在实验室生成了反粒子了，故不出百年，在生命科学允许条件下，制作反人应该没问题 2. 生命是什么，其怎么合成的；科学家已经在着手研究生命是怎么起源的，模拟并构建生命诞生的化学和物理条件，尝试建立合成人类的化工厂，这也不是问题在将来 3. 现在人类合成的自动智能远程控制系统是否成熟，计算机与自动化专家在勤苦的耕耘着；生命编码的程序是否搞清楚了，破译了没有；生命科学家一直在编制人类与其它动物的基因图谱
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认识宇宙（之三）没有初始“大爆炸”，无须“暴涨”和“暗能量”的宇宙
池顺良 2010-8-10 15:51
认识宇宙（之三） 没有初始大爆炸，无须暴涨和暗能量的宇宙 0. 前 言 C 宇宙模型的物理图像简单而又清楚。在这个模型中，总星系膨胀及加速膨胀的原因就是存在异性相斥的牛顿相互作用。 C 宇宙模型无须求助于必然导致时间起点、物质密度无穷大的初始大爆炸。也无须引入神秘又无法观测证实的暴涨。也没有暗能量的地位，因为我们知道加速膨胀的原因。 这个模型没有时间起点，有足够的时间容纳恒星及星系的演化，不存在年龄矛盾。 1. C 宇宙模型 不从一点中爆炸诞生 标准宇宙学模型推断宇宙从一点中爆炸产生。在宇宙诞生时刻其能量密度和温度都无穷大。物理上无法接受无穷大，不少人对这一图景很难接受。 标准宇宙学模型是个减速膨胀的宇宙模型，将演化曲线沿时间轴回溯，必定会与时间轴相交 （参见上篇博文图 1. 之曲线 2 ，此时宇宙半径 R=0 ）。 这样的宇宙从一点中爆炸产生是不可避免的，因此无法避免这种无穷大困境。 造成这种困境的原因究竟是什么？ 困境来自这是一个 只以吸引为基础的物质理论 ，而无 与之相当的排斥 之故。―― 真正的物质理论应当给予排斥和吸引同样重要的地位，只以吸引为基础的物质理论是错误的，片面的，不充分的。 发现宇宙膨胀加速是观测宇宙学的重大发现，宇宙演化图景必将由此发生重大变化。其意义不亚于发现微波背景辐射。 C 宇宙模型是个 加速膨胀的宇宙模型，将演化曲线沿时间轴回溯，膨胀速率越来越小，演化曲线可能逐渐变得与时间轴平行（参见上篇博文图 1. 之曲线 1 ），因而并非必定与时间轴相交。这时的早期宇宙相当于一团具有有限半径的气体团。不会再有宇宙从一点中创生的结论。宇宙演化图景成为：宇宙中有这样一团具有半径 R 的气体物质团，缓慢地开始膨胀并逐渐加速，直到形成目前的形态。 陈方培老师在 宇宙大爆炸 在理论上的缺点和问题的博文中也讨论了 如何说明 宇宙大爆炸 不可能存在： 因为只有 da 2 /dt 2 0 ，宇宙才会从物质密度、温度和时空曲率都处于无穷大的状态开始膨胀，宇宙大爆炸才有理论根据。而现在发现 da 2 /dt 2 0 而不是 da 2 /dt 2 0 ，因此，宇宙大爆炸就不可能存在了。 C 模型是个既有吸引又有与之相当的排斥 的物质系统，从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。它的宇宙半径演化曲线与时间轴不相交，没有从一点中诞生的问题。 2. C 宇宙模型 无时间起点，有足够时间容纳恒星及星系演化 标准宇宙学存在时间起点（此时的宇宙半径＝ 0 ），宇宙年龄就是从时间起点算到现在的时间。而 C 宇宙模型 不存在时间起点，无所谓宇宙年龄。从开始膨胀至今经过的时间也要远大于标准宇宙模型的宇宙年龄。 标准宇宙学多次出现宇宙年龄小于恒星年龄的年龄矛盾。不断修改各项参数，年龄矛盾才得到缓解。但孙子比爷爷老的年龄矛盾仍不断出现。 C 宇宙模型有足够时间容纳恒星及星系演化，不存在年龄矛盾。 3. C 宇宙模型 无须经历暴涨 微波背景辐射观测到宇宙整体上超视界的均匀性。为解释这种均匀性于是用猜测性的暴涨理论来解释超视界均匀性。 宇宙视界的大小是随时间增大的。对于没有时间起点的 C 宇宙模型，宇宙整体上超视界均匀性疑难不再存在。 时间无起点加上空间的平直性就意味着视界疑难和平直性疑难不存在。 暴涨不再是必要的。 在 C 宇宙模型 中，宇宙整体上的均匀性更多地是因为支配这一级宇宙运动的同性相吸，异性相斥的作用力具有自动调节大区域物质密度使其均匀的特性。 4. C 宇宙模型就像正负离子组成的晶体，会有等间隔结构 在现有的标准宇宙模型中，确实无法理解超星系团分布的周期性现象。但在 包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的 C 宇宙 模型中， 正反物质世界的基本组成单元（正、反超星系团），就像正负离子组成晶体那样的周期性 等间距 分布则是必然要发生的。 128Mpc 相当于 4.17 亿光年。反物质星系与我们距离的尺度要以亿光年计！ 怪不得难以寻觅到反物质。从一团正反粒子混合的气体团到正反物质在万有斥力下分离，形成亿光年尺度的正、反超星系团，所需时间恐怕要以千亿年为单位了。 5. C 宇宙模型能容纳 氦丰度和微波背景辐射 宇宙中的 氦丰度和微波背景辐射是大爆炸宇宙学的两个重要支柱。 C 模型能容纳这两个观测证据吗？ 陈方培老师在 能否建立一个既符合观测事实又不存在 大爆炸 的宇宙模型 ? 一文中讨论了这个问题。 陈方培老师认为， 对于 宇宙中的 氦丰度，一个寿命足够长的新宇宙模型，不用宇宙初期的氦合成，氦丰度也可能达到观测到的丰度。 早在 1950 年代，有些宇宙学者曾主张， 宇宙中的 氦主要是在各恒星内部合成然而详细的计算表明，宇宙中观测到的氦丰度难以于 10 10 年之中在各恒星内部合成。 10 10 年是根据大爆炸宇宙模型所算出的宇宙目前的大致寿命。对新的宇宙模型来说，宇宙至今已经历了无穷长的时间，氦在各恒星内部合成有着足够的时间。因此，主张宇宙中的氦主要是在各恒星内部合成的观点也有可能是对的。 大爆炸宇宙模型把微波辐射背景解释为宇宙早期光子退耦的遗迹。 陈方培老师认为， 除这一解释之外，微波辐射背景是可能有其它解释的。 背景微波是由宇宙演化中产生的光子（包括创生光子和从原子等粒子辐射出的光子）逐渐累积而成，经过不断的碰撞，最后将趋于热平衡状态。由于新模型时间没有起点，极早时刻与当今时刻可以相隔很长时间。这样，大部分光子气有足够时间，通过碰撞而达到热平衡状态。因此，不用大爆炸遗迹，而用另外的原因来解释微波辐射背景之可能性是存在的 。 C 宇宙模型既然也能符合 氦丰度和微波背景辐射，模型 是否能够成立有赖两项基本假设－存在反物质星系与正反物质间相斥－获得观察与实验的支持了。 参考文献： 恩格斯，自然辩证法，曹葆华、于光远、谢宁译，人民出版社。 1955. 陈方培， 宇宙大爆炸 在理论上的缺点和问题。 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=217228 陈方培， 能否建立一个既符合观测事实又不存在 大爆炸 的宇宙模型 ? http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=50914
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认识宇宙（之二） 32年前一个预言膨胀加速的宇宙模型
热度 1 池顺良 2010-8-9 17:15
认识宇宙（之二） 32 年前一个预言膨胀加速的宇宙模型 0. 前 言 中学时代就对自然充满好奇，订阅了《科学画报》。这是上海办得很好的一份科普杂志，经常刊登介绍前沿科学问题的文章。这份杂志让中国几代年轻人对科学充满热情。 大学四年级，从数、理课程中充实了一些知识就开始思考一些问题。 1962 年写了一篇红移、热寂及等级宇宙的文章，投到报刊。此文有幸送到著名天体物理学家戴文赛先生手上。戴先生写下了几条意见： 1. 本文创造性强，叙述清楚生动，作者今后可成为优秀的理论工作者。 2. 本文的主要论点―宇宙间纯由正物质或反物质构成的天体（或天体系统）的存在－目前还未得观测的证明，因此全文大部分还是猜测性、想象性的叙述。在这种基础上提出一个新的宇宙论，最好能先以一篇科学论文（列举足够的事实根据、数字，进行理论分析－公式、方程）出现，然后再在报章上介绍。 接着。戴先生又写了天文上一些与此问题有关的值得注意的新发现，供我参考。 对一个完全不熟悉科学研究方法的年轻大学生对宇宙的遐想，戴先生却能如此循循善诱，既给予热情的鼓励，又提供参考意见，诲人不倦的精神令人终生难忘。 当时宇宙学确定的主要观测事实是宇宙（实则是总星系）总体在膨胀。对于一个由万有引力支配的物质系统的整体膨胀，宇宙学只有用一次初始大爆炸来解释了。但这又引出了宇宙年龄苦短，甚至容不下恒星演化所需时间的矛盾。此外，大爆炸如何解释宇宙总体上呈现均匀分布的格局也是让人百思不得其解的事（此时还没有提出宇宙暴涨概念）。另一个疑问是宇宙的对称性。为什么在粒子物理中完全对称的正、反粒子世界，在宇观世界中却得不到反映。－似乎我们所处的宇宙完全由正物质组成而没有反物质的地位，这是真的吗？凭人类现有的观测手段敢肯定我们没有反物质邻居？ 自然界的 4 种力中，万有引力和库仑力是长程力。库仑力决定着分子等宏观物质的结构，万有引力是决定着星系及宇宙结构。库仑力既有吸引又有排斥，但万有引力却只有吸引没有排斥。总觉得这里有点不对劲。 在经过一番思考后我构建了一个正反物质对称，同类物质相吸、异类物质相斥的宇宙模型。这个模型可以自动导出宇宙膨胀及膨胀的加速而无须大爆炸也无须暗能量；得到了由星系平均质量和平均间距计算哈勃常数的表达式；所谓宇宙压强的大小以及膨胀的加速因子。 当时的天文观测没有能力分辨膨胀是减速还是加速；也没有观测到反物质星系存在的证据（ 寻找湮灭过程的 射线，而没有找到，结论是：在数千万光年范围内没有反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。） ；也没有正、反物质间是吸引还是排斥的判决实验。这个宇宙学的新假说未获得更多观测和实验证据支持，在我心里逐渐就被搁置了。 1975 年调到地震办公室后， 就全心投入对地球科学的学习和思考。主要精力都花费在钻孔应变仪研制上了，只是有时仍会关心一下宇宙学的进展。 随着天文观测技术的进步，人类的视野更宽、更深了。 1998-1999 年发现宇宙膨胀加速给大爆炸宇宙学带来极大冲击。恒星和星系的年龄比宇宙大的年龄矛盾等一系列问题在迫使宇宙学重新思考，问题究竟出在何处。 多年没有接触这个领域，应该是没有什么发言权的。但回想这个 32 年前的 假说既然能够预见宇宙加速膨胀和正反物质基元团间距的周期性，其中也许就包含了某些合理的成分，因而在这里公布于众。 这是一个非天文物理专业毕业的年轻工科大学生的习作，错误之处一定不少，还恳请各位专家批评指教。 下面就是这篇发表在内部刊物《鹤壁科技》上宇宙学的一个新假说的复印本。 为叙述方便，本人提出的这个模型以后简称为 C 宇宙模型。 〔注〕宇宙学研究都以爱因斯坦广义相对论和引力场方程为框架。但在这个宇宙模型中，由于同性相吸异性相斥的相互作用，等效原理不再成立。描述只能在平直时空中暂用牛顿力学来分析。 1. 宇宙学的一个新假说一文的复印件。 2. 戴文赛先生的信
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认识宇宙（之一）“大爆炸”宇宙学的未决疑难
池顺良 2010-8-8 20:22
认识宇宙（之一） 大爆炸宇宙学的未决疑难 0. 大爆炸宇宙学的疑难 了解宇宙的性质、结构和演化规律，一直是人类的梦想。但是，要认识宇宙太难了。从望远镜发明到认识恒星、星系，到发现支配星空的万有引力定律，到哈勃发现星系退行、宇宙膨胀到大爆炸标准宇宙模型建立， 400 年时间总算有了一个能用观测检验并被科学界接受的宇宙模型。 陆埮老师在《中国国家天文》上撰文说，现在 宇宙学已经成为了一门精确科学，被多数人接受，成为了当今最前沿，最活跃的学科之一 。 但仍有人对大爆炸宇宙学持强烈反对态度。 2004 年 34 位知名科学家和工程师在英国《新科学家》杂志上联名批评大爆炸宇宙学。批评 这个理论 越来越多地以一些假设，一些从未被实证观察的东西作为自己的论据：暴胀、暗物质和暗能量等就是其中最令人震惊的一些例子。这种不断求助于新的假设来填补理论与实际之间鸿沟的做法，在物理学的任何其他领域中都是不可能被接受的。离开了暴胀之类的假设，大爆炸理论就无法解释实际观测中发现的同质的、各向同性的宇宙背景辐射。因为那样的话，它就无法解释宇宙中相距遥远的各部分何以会有着相同的温度并发出同量的微波辐射。而离开了暗能量，根据大爆炸理论计算出来的宇宙年龄就只有 80 亿年，这甚至比我们所在的这个星系中许多恒星的年龄还要小几十亿岁。该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观测的结果，它不断地在增补可调整的参数，就像托勒玫的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样 。公开信贴到网络上后，又得到 400 多位科学家的签名支持。 我国一些物理学家对大爆炸宇宙学也存有异见，如 大连理工大学物理教授 陈方培认为： 很多人不相信宇宙大爆炸的真实性，认为大爆炸宇宙学存在缺点、甚至错误。 本人也不相信宇宙大爆炸的真实性，正在钻研大爆炸宇宙学的 观 测基础和理论基础并企图修改大爆炸宇宙学的缺点。目的是抛砖引玉，希望能为建立更完善的宇宙学起到一些呼唤作用。 北大俞允强老师著有关于广义相对论和宇宙学的专著多部。俞老师在研究宇宙学时也指出现代宇宙学中确实存在诸多的未决疑问。 俞老师在宇宙学这 80 年一文中就提到了现代宇宙学中五个主要的未决问题．按我的理解列于如下： (l) 观测已发现宇宙在加速膨胀。膨胀的加速需要有斥力，斥力来自何方？ (2) 宇宙中没有找到大块反物质是用观测认真探索过的事实．这是原初宇宙中重子比反重子多 1 亿分之几的结果吗？这微小的差异又是怎么产生的？ (3) 微波背景辐射观测到了宇宙整体上超视界的均匀性，超视界意味着任何物理原因不可能解释它，于是用猜测性的暴涨理论来解释超视界均匀性。可是用什么来证实暴涨确实发生过？ (4) 如何认识宇宙中的非重子实物密度。 (5) 如何认识广义相对论宇宙的来源或创生问题。 上述问题本身都是源于肯定事实的真问题，但都还没有明确的答案。 疑难和问题往往是新认识的前导。现代宇宙学的第一个未决问题是关于宇宙的加速膨胀。 1. 现代宇宙学的建立与宇宙加速膨胀的发现 宇宙学成为一门实测的自然科学始于上世纪早期，美国天文学家哈勃用当时最大的威耳逊山天文台望远镜对星云进行观测并证明：我们所在的银河系之外还存在着许许多多和银河系类似的星系，这些星系形成了组成宇宙的基本单元，这一发现奠定了观测宇宙学研究的基础。哈勃还发现星系光谱红移的数值与星系的距离成比例，它表明所有银河之外的星系均在离开银河系退行，这就给出了一幅宇宙在均匀膨胀的图像。此后的宇宙微波背景辐射和轻元素丰度的观测进一步支持了这种膨胀宇宙的基本图像，今天的宇宙学模型正是在这样的观测和理论基础上建立和发展起来的。 宇宙中存在物质，物质间存在着万有引力，当宇宙膨胀时，物质间的引力作用应当使它的膨胀速度减缓，也就是说，宇宙膨胀应当是减速的，在宇宙学中有两个常数，即哈勃常数 Ho 和宇宙减速因子 qo ，前者表示现在宇宙膨胀的速度而后者表示宇宙膨胀的减速． 1998 － 1999 年，利斯 (A.G.Riess) 和珀耳莫特 ( S.Perlmutter ) 两个各自独立的课题组，用 Ⅰ a 型超新星经过诸多校正后作为 标准烛光光源 进行观测，两个课题组都发现那些遥远的 Ⅰ a 型超新星的亮度比预期的更暗 ( 即更远 ) 。从而，他们发现了宇宙不是在减速膨胀，而是在加速膨胀。这是一个十分令人震惊的发现。所谓万有引力，自然是只有引力，没有斥力。因此，宇宙膨胀只可能减速，不可能加速。 大爆炸理论完全无法解释宇宙的这种加速膨胀现象。 加速膨胀的发现意味着宇宙大区域中存在斥力，而且，现今的宇宙整体上看应当是以斥力为主。 在一个万有引力支配的宇宙中，斥力从哪里来？ 这就意味着要修改万有引力定律，或者增加一种能产生斥力的新物态。主流宇宙学选择了后者：在方程中重新加入爱因斯坦的宇宙学常数 或暗能量。 这种对抗万有引力的膨胀效应，观察不到其载体，因而称其为 暗能量。 但 暗能量究竟是什么？谁也说不清。 暗能量成了二十一世纪物理学和天文学面临的最大的挑战。 2. 新观测事实 对现有理论提出严重挑战 随着更大口径的望远镜投入观测，取得的一系列新的观测结果向现有的主流理论模型提出了严重的挑战。预示着在未来若干年内新的观念或理论上的突破即将产生。 2.1. 年龄矛盾 再次出现 2005 年末，多架 巨型望远镜（ 哈勃空间望远镜，欧州的 VLT 望远镜，以及美国国家航空航天局的斯必泽空间望远镜等） 对准位于 鲸鱼座的 HUDF-JD2 遥远星系进行观测，发现 它与地球的距离达到 130 亿光年。这个数字如此接近大爆炸发生的时间，不禁令人瞠目结舌。如果大爆炸理论成立的话，这就意味着，我们观测到的 HUDF-JD2 星系正是它在大爆炸发生仅仅 7 亿年后的模样。 计算得出，该星系的质量相当于 6000 亿个太阳的质量，约为我们银河系质量的 4 倍。根据目前有关星系演化的理论，现有的星系都是逐渐由小型星系聚集形成的 那么如此巨大的一个星系怎么可能在大爆炸之后这么快就形成了呢？恒星和星系年龄大于宇宙年龄 的问题并不是今天才出现的。随着天文观测技术的发展，这个问题变得越来越突出，而这一次问题也许变得更加尖锐了。 大爆炸宇宙学的宇宙年龄太短促了，年龄矛盾难以避免。 一些天文学家认为，随着观测技术的不断改进，人们一定会发现一些更老的天体。果真如此的话，根据大爆炸理论编制的宇宙演化时间表就有可能要被彻底改写。 2.2. 现有理论无法理解的星系分布周期性密集现象 当前，天文学家正在重复当年赫歇尔、卡普坦、 沙普利实际测绘银河系结构的工作。为此， 天文学家发展出了几种独立于红移的确定星系距离的方法。 大规模星系红移巡天观测计划给出了相当大范围内星系的三维分布。尤其是最近开展的对遥远的看来很暗的星系的红移巡天观测，这些巡天通常都选取若干方向上很小天区内的星系作为样本，而巡天都达到前所未有的深度。得到的结果是令人惊讶的。 天文学家发现星系表现出在空间上很强的成团性。更出乎意料而令人难以理解的是，星系密集的峰的出现似乎存在规律性，或者说星系密集区与我们的距离似乎是周期性的。图 6 引自 邓祖淦、夏晓阳星系形成和宇宙的大尺度结构－观测对现有理论提出严重挑战 一文。图中显示的是样本中任意星系与我们距离的分布。虚线标出了 128Mpc 整数倍的位置，可以看到，分布的确是在 128Mpc 整数倍处呈现明显的峰。 这种星系红移分布中的规则性更是目前任何模型或理论无法解释的。无怪加州大学伯克利分校的著名天体物理学家 Davis 说：如果星系分布的确是周期性的，我们对早期宇宙的了解可以说比零还少。 如果这种周期性的确存在，目前标准宇宙模型的基本观念必然要发生重大变化，这是不少宇宙学家所相信的。 在现有的标准宇宙模型中，确实无法理解星系分布的周期性密集现象。究竟是什么因素导致了星系分布的周期性密集？ 3. 结 语 国家稳定，老百姓不愁衣食就有闲遐思考天问一类的问题。 作为一个天文爱好者， 40 多年前我写过一篇宇宙学的一个新假说， 得到戴文赛先生鼓励。 这个宇宙模型以两个基本假设为基础： 1. 宇宙中正反物质数量相等； 2. 正、反物质间相斥，即物质间同性相吸异性相斥。再加上宇宙整体上均匀的设想，一个新宇宙模型的框架就建立起来了。 这个宇宙模型发生膨胀是物质间同性相吸异性相斥的相互作用所致，无需靠一次大爆炸来推动。由这个模型能导出表征膨胀速率的哈勃常数 H 。 H 2 8 G ∕ 3 （ 1 ） 将宇宙物质平均密度 ＝ 1.9 10 -29 g ∕ cm 3 代入上式，得： 哈勃常数 H 50 km s -1 Mpc -1 ，与现在的观测值同量级。 此外，这个模型预言宇宙膨胀是加速的。而在当时，所有宇宙学家都认为宇宙膨胀应该是减速的。只是到了 1998 － 1999 年，天文观测才发现宇宙膨胀确实是加速的！此外，这个模型中必然会出现物质团（星系或超星系团）间距的周期性结构。作为基元的正反物质团就像正负离子组成晶体那样形成周期性大致 等间距 分布的膨胀结构。 最近在网上看到不少讨论宇宙大爆炸的博文，有专业人士也有非专业人士，十分热闹。引起了我这个天文爱好者的兴趣。最近又有些空，想起自己以前的这个假说能够有某种预见性，也许就包含了某些合理的成分，有某种参考价值。就找出几十年前写的材料整理一下贴到网上。 下篇博文将介绍 32 年前发表在内部刊物《鹤壁科技》上的文章宇宙学的一个新假说。这是一个非天文物理专业毕业的年轻工科大学生的习作，不当与错误之处一定不少，还恳请各位专家批评指教。 参考文献： 陆埮，为宇宙加速膨胀发现 10 周年而作，中国国家天文， 2009 年 2 期 . http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=217110 陈方培的 博客 俞允强，宇宙学这 80 年 ，物理， 38 卷 8 期， 2009 ， 531 ～ 535. 邓祖淦、邹振隆，高红移 Ia 型超新星的搜寻和宇宙的加速膨胀，物理， 28 （ 8 ）： 464 ～ 470. 全志钢， 宇宙大爆炸，或许从未发生过 ， 新发现， 2006.6. 邓祖淦、夏晓阳，星系形成和宇宙的大尺度结构－观测对现有理论提出严重挑战，物理， 21(1) ： 88 ～ 95. 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社， 2001 年， 194 页 .
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[转载]亥姆霍兹美因茨研究所正式成立并运行
helmholtz 2009-10-17 14:05
专注于对神奇的反物质、超级重元素和新的加速器技术研究 2009 年 7 月 1 日 亥姆霍兹联合会与高校联合成立的第一个联合科研机构 - 亥姆霍兹美因茨研究所（ HIM ），正式投入运行。今后，该研究所将与德国达姆施塔特亥姆霍兹重离子研究中心 GSI 以及美因茨约翰内斯．古滕贝格大学合作，探索物质与反物质的结构、对称性和稳定性。在于 6 月 9 日 正式成立后，来自 GSI 与美因茨大学的首批 20 名科研人员今天上岗工作。满员后，将有大约 60 名科研人员就物理和化学的基础问题开展研究。在不久的将来，紧临大学的核物理、核物理与化学研究院还将立起一座新楼。 HIM 执行所长弗兰克．马斯教授博士就 7 月 1 日 启动时说：“这是一个试点项目，我们很高兴，能有机会在这个新机构把 GSI 和大学研究所之间富有成效的合作推上一个新台阶并使之成为机构性的实体。”。亥姆霍兹 GSI 研究中心与美因茨大学核物理、物理与化学研究院在不同领域多年来一直有合作。这个新的亥姆霍兹美因茨研究所的科研重点即是源于双边的长期合作也将根据准备在达姆施塔特亥姆霍兹 GSI 中心新建造的 FAIR 加速器的建设而发现新题材。通过建立一个实体的机构，使得共同规划和实施长期项目首次成为现实。 FAIR 是“反质子与离子研究装置”的缩写（ Facility for Antiproton and Ion Research ） ，是世界范围基础物理学领域的最大科研装备之一。该加速器将输出迄今从未达到过的高强度和质量的反质子束和离子束，从而提供种类繁多的各种可能的实验，从中科研人员将对自宇宙从大爆炸直到今天所发生的物质构成和宇宙演化获得全新的认识。 “我们将首先在 FAIR 的建设阶段参与探测器和加速器的设计工作，尔后参与实验，并在各个阶段提供理论上的支持。”马斯解释道。任务目标是更好地理解反物质的反应，探索我们身边物理的结构。寻找和测量所谓的胶子，一种由纯能量生成的新的奇异的物质形态，是另一个目标。此外科研人员已经开始筹划 2020 年之后如何进一步利用 FAIR 装置。 建造一套新的加速器即电子 - 核子对撞机，该项目的可行性研究也是该所的科研任务的一部分，它可以综合美因茨在电子加速器方面 - 校园里运行着有国际伙伴方的 MAMI 加速器 - 与以亥姆霍兹 GSI 中心在离子束方面的丰富专业技能。 再一个重点是制造和查找现在元素周期表之外的超重元素。这是该领域世界领先的亥姆霍兹 GSI 中心的传统科研项目的延续。在美茵茨大学一方参与的是运行着 TRIGA 研究反应堆的核化学研究所。 为了承担碰撞机和粒子加速器的必要的技术研发工作，另外还将在加速器物理方面增添一下教授的位置。 另一个领域是研究反氢的形成和精密测量。科学家们希望对新的自然界的力和空间、时间的结构能有深入了解。 “在地球引力场中反物质是否与物质受到相同的力？” 对这个简单问题的回答却对理解自然界的基本力具有深远影响，而该答案有望通过 FAIR 的高强度低能量的反质子揭示出来。 GSI 和美因茨大学联合成立 “ 亥姆霍兹美因茨研究所 ” 的申请，在亥姆霍兹联合会组织的专家评审时被认为在科研项目和团队构成方面都有很高的科学水平。评审意见认为，筹备中的研究所将为亥姆霍兹 GSI 中心和美因茨大学的主体研究作出重要贡献，也将明确加强大学与 GSI 相互之间的合作。 弗兰克．马斯将在这个新的亥姆霍兹研究所任前两年建设期间的执行所长。他自 2007 年 10 月受聘为核物理研究院的实验物理学教授，同时从亥姆霍兹 GSI 中心学术休假。他的工作重点是与反质子及宇称破缺电子散放互作用时的质子结构。
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反物质
wdfzacw 2009-4-18 07:23
北京时间1月14日消息，据国外媒体报道，反物质是一种极其神秘的物质，它们与普通物质一起构成了整个宇宙。但长期以来，反物质究竟是如何产生的一直是一个未解之谜。德国的科学家近日称，他们目前已经找到答案：反物质是由中子星和黑洞撕裂恒星产生的。 　　在1月10日出版的《自然》杂志上，德国马普研究所地外物理学家乔治-威登斯波恩特及其同事详细公布了他们的这项最新发现。乔治-威登斯波恩特称，当一颗相对寻常的恒星在绕其旋转的黑洞或中子星的作用下分崩离析，科学家们称之为低质量X射线双星。研究人员们推算，这种低质量X射线双星可以每秒喷射出近10的41次方个正电子。这些正电子占了科学家们推断的反物质的很大一部分，从而极可能排除其它各种有关反物质的异说。乔治-威登斯波恩特说：根据简单初步的统计，我们认为一半甚至可能所有的反物质都来源于X射线双星。目前，科学家们已经见证了反物质的死亡，他们希望同样能看见反物质的诞生。 　　乔治-威登斯波恩特说，每种基本粒子都有相应的反粒子，它与原来的粒子相比，只是所带的电荷和其他量子数相反，其余构造完全相同。正因为带的电荷相反，所以它们的一些性质也完全相反。许多物理学家认为反粒子是由原来粒子的内部结构被镜面倒转以后得到的。由反粒子构成的物质叫反物质。当粒子和反粒子相遇时，它们就会同归于尽。我们的银河系完全是由普通物质构成的，所以一旦制造出一个反粒子，不管是在实验室里还是在星球内部，在它遇到一个粒子并湮灭以前只能存在一微秒。许多宇宙学家还这样推测：在开天辟地的那个时刻，物质和反物质就分离开，构成了两个宇宙，一个称做宇宙，另一个则是反宇宙，它们互相排斥并且以很大的速度互相远离。 　　另外一名参与了此项研究的科学家斯奇纳解释说：尽管目前对于是黑洞产生了中子星和其它物质，还是中子星产生了黑洞和其它物质下定论还过早，但是这种现象的确非常有意思，然而我们现在还很难界定包含黑洞的X射线双星和包含中子星的X射线双星之间的差别。据估计，一克反物质与正物质结合时，放出的能量相当于世界上几个最大水电站发电量的总和。科学家预测假如利用反物质推动太空船，六星期到达火星将不是梦想。但是，要利用反物质，就必须首先找到反物质，在地球上人们尚未找到可利用的反物质。令人可喜的是科学家发现在地球之外十分遥远的银河系中心存在一个反物质源，它喷射出一个反物质喷泉，这些反物质能不能为人类所利用至今还是个谜。 　　英国物理学家狄拉克1930年提出电子有两种，除了有带负电荷的电子外，还有带正电荷的电子，这两种电荷恰好一正一反，带负电荷的电子叫正电子，带正电荷的电子叫反电子。长期以来，人们一直认为电子只有一种，所以对狄拉克的预言半信半疑。没想到两年以后狄拉克的预言得到了证实，美国物理学家安德森在实验室果然发现了反电子。后来人们陆续又发现了反质子、反中子等等各种各样的反粒子。于是科学家们设计好方案进行实验，功夫不负有心人，科学家们终于在实验室得到了结构比较简单的反氘，这说明反物质的设想并不荒唐。反物质这东西很神秘的，只要一露面，立即就会与正物质结合，同时放出大量的能量。据说1908年中西伯利亚的通古斯大爆炸就是由于天外飞来一块由反物质组成的陨石，反物质与正物质通古斯河上空结合放出大量能量而造成的。
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