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对称的宇宙

作者:苗千

2017-11-17·阅读时长5分钟

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物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德,他是当今理论物理学界的领军人物

对于刚刚从一场大爆炸之中诞生出来的宇宙,所要面对的最严峻问题——在很多物理学家看来——就是如何不马上又消失于无形之中。根据人类用来描述物质世界基本粒子的性质和行为的数学框架——标准模型的描述,宇宙大爆炸应该产生出数量相等的物质与反物质,而这两种物质一旦相遇,就会立即发生湮灭,转化为能量。从这个角度看来,宇宙中或许本来就不应有任何物质存在。问题就在于,任何人都可以通过自身的存在来证明,经过了140多亿年的演化之后,宇宙中仍然存在着大量的物质,而相比之下,反物质则显得极为稀少,至今也没有对人类的生存造成任何威胁。

反物质究竟在哪里?是已经通过湮灭几乎消失殆尽,还是大量存在于宇宙的某个区域?在宇宙诞生之初,为什么物质与反物质并没有同时消失?长久以来,这个问题困扰着物理学家们。一方面标准模型的有效性已经得到了充分的验证,它可以描述宇宙中的大部分物理现象,另一方面它又为物理学设置了一个又一个的悖论。就连宇宙自身的存在也显示出标准模型并不完备,人类的探索仍未完成。

宇宙并未消亡于诞生之初,而且在目前看来物质远多于反物质。一些物理学家认为这是因为物质与反物质之间存在着极其细微的差别,正是这种差别让物质逐渐在宇宙中占据上风。这种差别究竟在哪里?物理学家们测量了质子与反质子的质量、电量,都显示完全相同或相反(反质子带有负电荷),呈现出完美的对称。于是一些物理学家把寻找细微差别的希望寄托于两种粒子的磁性上。

想要精确测量单个质子的磁性尚且困难,要测量一个反质子的磁性难度自然更高。在实验室中制造和保存反质子本身就是一项难度极高的工作,在测量的过程中更是不能让其与任何物质相遇。因此,尽量精确地测量反质子的磁矩,对于物理学家们来说,本身就是一项难度极高的挑战。最近,欧洲核子中心(CERN)的一组科学家出色地完成了这项实验,把人类对于反质子磁矩的测量精度在此前的记录上又提高了上百倍。2017年10月20日,他们在《自然》(Nature)杂志上发表论文《对于反质子磁矩的十亿分率精度的测量》(A Parts-per-billion Measurement of the Antiproton Magnetic Moment),展示出人类对微观世界中单个粒子的超强操控能力,同时这个结果也加深了人类对于反物质的迷惑。

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苗千

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