反物质由粒子和波构成?如何被实验证明?

反物质,可以用一句话进行简单的描述:它是正常物质的反状态。并且,当正常物质和反物质一旦相遇,双方便会发生互相泯灭抵消。在这个过程中,甚至还会爆炸产生巨大能量。

反物质是由波浪组成的,而不只是由反粒子组成。但是现在,物理学家们已经通过最新研究证实:通过单个正电子层电子的反物质栾晶显示,该反物质也是由粒子和波构成。简而言之,即使是在单个反物质粒子的水平这个前提条件之下,组成原理也是如此。

反物质的主要特征和神秘属性

关于反物质,可以用一句话进行简单的描述:它是正常物质的反状态。并且,当正常物质和反物质一旦相遇,双方便会发生互相泯灭抵消。在这个过程中,甚至还会爆炸产生巨大能量。作为正常物质的镜像的反物质,它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核。从根本上来讲,反物质其实就是物质的一种倒转表现形式。

一次又一次显示的粒子波二元性

关于粒子波二元性,算得上是一个比较知名的概念。长期以来,物理学家们都知道一个客观现实,那就是几乎所有的东西(包括光和其他形式的能量),甚至是你体内的每个原子,它们都是以粒子和波的形式存在着。在以往的实验中,这个概念一次又一次的显示出来。

但反物质就不同了,就像它们的物质伙伴一样,如果排除它们的相反电荷和旋转情况,那么是难以进行实验的。如果这些物质的双胞胎瞬间存在,则往往都是大质量的粒子加速器。曾经,为了证明电子也是波,物理学家们进行了比“双缝实验”更复杂的版本。

电子能像波浪或粒子一样运转

这是一个看似简单的设置:一把枪在墙壁上射出单个电子,有两个可以打开或关闭的小缝隙。一旦它们穿过狭缝,电子就会撞击探测器。费曼预测,当狭缝打开的数量为一个的时候,电子的表现会是颗粒;当两个狭缝都打开的时候,电子则会在由波干涉形成的探测器上产生特征性的光暗条纹图案。换而言之,一个波峰有时候会增加它的波峰,然后形成明亮的斑块。但是在其他地方的时候,波峰和波谷则会重叠,而后形成了黑暗区域。

经典双缝实验的结果并没有颠覆任何基本定律,即使在之前曾被认为过于具有挑战性。这个实验捕获了神秘的量子特性,并且让电子像粒子或波浪一样运转。即使我们知道它应该以这样的方式工作,但实际去实现这件事却是有特殊价值的。虽然新的实验,可能不会引起关于量子力学的问题,但重要的是检查这些基本定律,是否像物理学家在许多不同的设置中所期望的那样。

实验中的干涉测量法是什么

在一开始的双缝实验中,科学家们的研究就准备了足够的可能,在一张带有两个夹缝的薄片发出一束电子,而另一侧则放置了一个探测器。那么科学家们又是如何判断的呢?当它们在探测器上形成两条亮线团,那么这电子就只是粒子。但如果它们的作用反应如波浪一般,它们就会变得和光一样“衍射”,然后会形成很多交替的更亮和更暗的线条的展开图案。

简而言之,当两个波重叠并且相对移动的时候,波的峰和谷会抵消或者相加,而后产生一种被称为干涉的独特模式。所以,这种类型的实验被科学家们称为干涉测量法。物理学家们已然证明,只要你从反射表面去反射正电子,那么它们就会变得像波浪一样。虽然到目前为止,他们并未通过双缝实验去证明个别正电子也具有波浪性质。

粒子、能量和物质的相互作用

夸克的组成包括了六个粒子,分别是上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及顶(t);轻子组包括电子中微子,μ子中微子,tau中微子,电子,μ子和Tau粒子;玻色子包括光子,胶子,Z粒子,W粒子和希格斯。但是,目前的标准模型并不完整,并未解释已知宇宙的许多重要特征,比如:重力、暗物质和暗能量。

正电子的波动性质如何被证明

来自瑞士和意大利的物理学家团队成员们,研究出了如何产生低能量正电子束,这些正电子束可以在双缝实验的第一个反物质版本中运用。但是,当物理学家指示正电子通过更复杂的一系列多个狭缝之时,正电子则以一种不是单个粒子、而是我们所期望的波浪的方式落在了探测器上。

Paola Scampoli,是米兰理工大学的物理学家,也是这项研究论文的共同作者。他表示:根据整个过程的观察,物理学家们通过证明量子力学起源(正电子),从而证明了正电子的波动性质。并且,这项工作为新的“干涉测量”实验打开了大门。

在以后的时间里,经过研究人员们的努力,将能解答更加复杂的奇异物质的波浪性质相关问题,然后将这些结果运用到探测非常小尺度的重力性质。为彻底揭开宇宙反物质之谜,前面还有漫长路要走。人们已能预料,这问题的解决不仅对认识宇宙是重要的,它对物理学的影响也将是很深刻的。通过这样的实验,物理学家们有机会比以往任何时候,都更加深入的水平上去研究反物质的行为。

作者:虞子期

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