我的探索之路——访诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授

今年八月,诺贝尔奖获得者丁肇中教授再次邀请《文汇报》高级记者姚诗煌前往欧洲核子中心访问,并就阿尔法磁谱仪的实验意义、目前的探测情况、宇宙中究竟会不会存在反物质世界,以及对诺贝尔奖的评价和他自己的研究心路、对年轻科学家的建议等,与作者进行了深入的交谈。本刊特发表这篇访谈,以飨读者。●宇宙之大是难以想象的,而我们的实验是一个很大的实验,目的是将整个宇宙找一遍,一直找到接近宇宙边缘的地方,看看有没有反物质组成的宇宙。所以说,这是以前没有人做过的。     

反物质的世界

自然界的每一种粒子在奇妙的镜面世界中，均有一个反物质的伴侣，当两者相遇时，它们会以辐射形式而湮没，物理学家们通过实验已创造出反粒子、甚至已制造出反物质原子。当人们问20世纪最惊人的发现是什么时，很少有人怀疑是德国量子物理学家W·海森堡（WernerHei－senberg）发现的测不准原理。按照他的意见，在本世纪30年代自从预测和发现了反物质，它像魔镜一样已在宇宙中出现。由此我们能看到反物质粒子，每一种均对应了物质世界中的一种粒子，但是许多性质相反或相对映。那么进一步情况会是什么？如果物质粒子接近或碰到其“对映物”…     

宇宙中正(重子)物质如何起源?

宇宙中的物质主要以重子类物质而非反物质存在.这一物质反物质的不对称性或者重子类物质的起源问题是长久未解决的宇宙学难题.本文着重介绍了目前很流行的电弱重子数产生机制,即在电弱相变过程中重子数产生的机制及其在超出粒子物理标准模型的新物理模型中的实现以及实验检验.首先详细介绍了该机制的物理图像.其次,因为重子数的产生需要在新物理模型中引入额外的CP(电荷共轭-宇称)破坏以克服标准模型中CP破坏强度不足的弱点,所以也对此进行了简要介绍并讨论了这类新的CP破坏源和粒子电偶极矩的精密测量以及新物理探索的关联.还讨论了另一个对于新物理模型的要求即强一阶电弱相变的实现.最后介绍了一阶电弱相变过程中随机背景引力波的产生、其在基于太空的引力波干涉仪探测器中的实验探测以及此类引力波与新物理模型探索之间的关联.其他如一阶相变过程中原初黑洞的产生及其探测也在本文中作了简要介绍.     

反物质的任务

在我们这个宇宙的小小角落里，没有人看到过反物质星系或反物质星体。但并不是说在遥远的地方它们不存在。事实上可能它们组成了半个宇宙。几个想寻觅新境的物理学家认为现在是查清它们的时候了。美国航空航天局出于自身的理由，对此表示支持。1984年秋，M·塞拉蒙（M·Salamon）和S·艾伦（S·Ahlen）用低预算的传统方法寻找字宙中的反物质。当时，塞拉蒙在加州大学伯克莱分校，艾伦在印地安那大学工作。他们用过去剩余下来的部分实验经费，装置了一台由一块超导磁体和一些精致的电子器件组成的反物质检测器。他们把这个奇妙的装置安上…     

全球构造的反对称性及其动力学意义

空间位置与几何形态的对称性,是宇宙中普遍存在的基本特征,它是决定物体静态稳定与动态平衡的重要条件,也是控制自然界相互作用的重要因素.物理学中的守恒定律经常是某种基本对称性的结果,反物质概念的提出也是从对称性出发的地球作为在宇宙中旋转运动的一颗行星,总体上是一个几何对称的椭球体.然而它的全球构造特征却具有一种特殊形式的对称性一反对称性,其含义是全球尺度区域的构造在空间位     

LHCb关于正反物质性质差异的研究取得新进展

<正>现行理论认为,宇宙大爆炸产生了几乎等量的物质和反物质.由于物质和反物质在微观性质上存在一定的差异(物理学上称为"电荷共轭-宇称对称性破缺",简称CP破坏),宇宙经过长时间的演化,形成我们今天观测到的由正物质组成的世界.欧洲大型强子对撞机(LHC)是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器.大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)是LHC上的4个主要探测器之一,它的主要物理目标是测量     

13个科学之谜

我们的宇宙真的始于一次大爆炸吗?反物质真的存在吗?为什么我们看不见单独的磁极?海洋中的奇怪声音是从哪里来的?"混血儿"海鞘是怎样进化出来的?"双重生命"的海星是怎样进化出来的?反安慰剂的作用是什么?……不管我们怎样努力地去了解世界,仍然会有太多的奥秘在等待我们去破解。本文介绍的13个谜题,被认为是目前最令人难解的奥秘的一部分。     

反物质都到哪里去了?

B介子的测量表明 ,粒子物理的标准模型无法解释为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的     

地球引力场排斥反物质

1928年,英国著名物理学家狄拉克提出了相对论量子力学方程,预言了电子的反粒子——正电子的存在。1932年,美国物理学家安德逊发现了正电子。1955年发现了反质子。这些发现给出了反物质存在的确实证据。此外,理论还指出,反物质单独存在时和正物质同样稳定。人们知道,我们现在已知的宇宙都是由正物质构成的。因此,在发现反物质以前,人们熟悉的是关于正物质的物理学。反物质发现后,人们自然地提出了反物质引力性质的问题,并且从1957年就开     

反物质究竟来自何方

欧洲核子研究中心(CERN)的科学家,日前成功捕获了38个反氢原子,并利用磁场使其存在了0.17秒,从而将反物质的存活时间从之前的百万分之一秒量级提高到十分之一秒量级,为使用科学仪器研究和分析反物质提供了宝贵的时间。该项研究成果意味着科学家离最终揭开宇宙中反物质的奥秘更近了一步。"反物质"其实并不玄奥。看看太极图就知道,我们的祖先也许在3000年前就对其存在作过哲学上的暗示。     

宇宙中的反物质

茫茫宇宙,浩瀚无垠。它展现出不可胜数的美景,也蕴藏着无法穷尽的奥秘。探索、认识和开发大宇宙是世世代代科学工作者的心愿。作为唯物主义者,我们深信宇宙是物质的。但是物质的结构精致细微,物质的形态千差万别。反物质就是当代物理学的一个重要研究对象,它也给宇宙探索增添了生动精彩的新题材。     

引力波与黑洞

2015年9月14日,LOGO探测到来自两个质量分别为29个太阳质量和36个太阳质量的黑洞并合产生的引力波。这是人类第一次探测到黑洞并合事件,也是第一次探测到来自宇宙的引力波信号。那么,什么是引力波？什么是黑洞？它们是怎么发生碰撞的？碰撞后又发生了什么？本文将做出解释。     

人类首次观测黑洞诞生

不久前,美国航空航天局的天文学家们通过"褐雨燕"卫星,历史上首度成功地观测到浩瀚宇宙中的"大事件"--一个宇宙黑洞的诞生,首次探测到持续时间极短的伽玛射线爆发衍生的可见光.     

通古斯又起风波

一百多年前的那场灾难，引发了人类探究宇宙的好奇心，是彗星撞击地球？还是更神秘的反物质引发？百年后，科学家又有了新的猜想……     

“暗物质”与“反物质”浅谈

在世纪之交,科学革命发生的前夜,一个涉及到当今基础科学最前沿的有关"暗物质"与"反物质"问题,成了各国科学家竞相研究的课题。"暗物质"是什么近年来积累的大量观测证据表明,宇宙中有90%以上的物质是不能用现有的仪器直接观测到的,只能通过引力效应等方法间接证明它们的存在.这些神秘的"暗物质"(也称"下落不明的质量")究竟是什么性质的物质呢?其实,"暗物质"就是比巳知的最小物质结构——原子更深层次的一种微观物质结构,它包括科学家们预言的和已经发现的许多微观物质粒子(如夸克、中微子……).为了便于解释,本文给这一层次的微观粒子选用一     

宇宙中最黑暗的秘密

宇宙中最黑暗的地方是哪里?我们几乎可以脱口而出:黑洞!黑洞也是宇宙中最神秘的天体,它因难以探测而一度被人认为是仅仅存在于科幻小说中的天体.然而,越来越多的科学探索证实了黑洞的确存在于茫茫宇宙中.2020年,诺贝尔物理学奖首次颁发给了研究黑洞的科学家,他们分别是数学家罗杰·彭罗斯、德国天体物理学家赖因哈德·根策尔和美国天体物理学家安德烈亚·盖兹.     

暗物质粒子平均每分钟撞击一次人体

根据几项暗物质探测项目获得的数据,平均大约1分钟就会有暗物质粒子击中人体。暗物质不同于常规物质,它们完全不可见。科学家们之所以能知道它们的存在,是因为它们会对宇宙中的星系和星系团产生引力作用。科学家们估算认为这种神秘的暗物质占到了整个宇宙中所有＂物质＂总量的80%。到目前为止,尚没有任何人能够确定地指出暗物质的组成粒子究竟是什么。     

宇宙如何起源?

热大爆炸宇宙学取得巨大的成功,它所预言的哈勃定律、宇宙微波背景辐射和轻元素丰度等都得到了观测的广泛证实.但是热大爆炸宇宙理论自身有着无法解释的疑难问题,比如宇宙空间平坦性问题、视界问题等.为了解决热大爆炸宇宙学的诸多疑难问题,一个最简单经济的方案是在宇宙热大爆炸前发生一段由真空能推动的宇宙近指数膨胀的宇宙演化过程,即宇宙暴胀.事实上,发生在宇宙极早期的暴胀过程不仅可以合理地解释所有这些热大爆炸宇宙学中的疑难问题,而且起源于暴胀期间的量子扰动自然地提供了宇宙晚期结构形成所需的原初密度涨落.反过来,探测宇宙微波背景辐射微小的各向异性和宇宙结构成了探索早期宇宙暴胀物理过程的关键手段.尽管现有的大量宇宙学观测强有力地支持暴胀宇宙学,然而当前在宇宙大尺度上似乎依然存在一些偏离标准暴胀宇宙学预言的迹象,这些迹象可能暗示宇宙在极早期暴胀前还经历了一段收缩过程.     

LIGO发现引力波:一个新时代的起点

2015年9月14日,激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到来自两个恒星质量黑洞并合所产生的引力波信号GW150914。这是一个划时代的发现,正式标志着人类探索宇宙的脚步步入了一个新的纪元。本文就什么是引力波、如何探测引力波,即这次探测相关的种种细节进行了分析与讨论。     

反物质与反物质能

基于传统物理学法则,构成世界的每一个基本粒子都具有相应的反粒子.普通原子是由一个原子核及围绕在原子核周围轨道上的若干电子所组成的.反物质具有类似的基本结构,但却是由反粒子组成的.因此,理论上,正常物质与反常物质同时并存.本世纪20年代末Paul Dirac为协调量子力学和狭义相对论而推导出的电子方程式有两个解,并由此预言反物质的存在.1932年发现正电子,1955年发现反质子,1996年合成反氢原子,1997年观测到银河中心附近由反物质形成的粒子云.反物质释放的能量较之核能大十倍以上,而且将是一种洁净能源.反物质能源是否能实现?这是众所关心的.