粒子就是正粒子，是我們身邊最熟悉的一切
粒子還可稱為“正粒子”，也就是我們接觸最多的，是構(gòu)成我們身邊萬(wàn)事萬(wàn)物的基本微粒。而與正粒子質(zhì)量相同，電性、磁矩相反的粒子稱“反粒子”。從電子、夸克、交換能量的玻色子、中微子等基本粒子，再到夸克組成的復(fù)合粒子質(zhì)子、中子、大多數(shù)介子，最后到原子，幾乎任何粒子都有反粒子。只有光子和中性π0介子沒有反粒子，其反粒子就是它們自己。
比如帶負(fù)電荷的電子是正粒子，就是我們常說的電子，記作e-（-表示帶負(fù)電荷）；而帶正電荷的電子就是反電子，記作e+（+表示帶正電荷），反電子與電子的電荷、自旋方向等基本參數(shù)相反，符合宇稱守恒就是鏡像對(duì)稱的意思，反粒子近乎于粒子在鏡子中的投影。
原子和反原子就像鏡子中的雙胞胎
正粒子即粒子，構(gòu)成了我們身邊的一切可見物質(zhì)，這個(gè)概念自然不必過多解釋；反粒子則構(gòu)成了反物質(zhì)，我們不能直接觀察到反物質(zhì)。正粒子和反粒子統(tǒng)稱為實(shí)粒子，與之對(duì)應(yīng)的就是后面將講到的虛粒子。
反物質(zhì)或反粒子一般只能通過實(shí)驗(yàn)獲得，大致有兩種方法，一是用粒子加速器高能粒子轟擊，比如歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，可以在高能撞擊中產(chǎn)生反質(zhì)子和反氫等反物質(zhì)粒子。二是通過宇宙射線獲取反物質(zhì)，宇宙射線是從宇宙中高速飛來(lái)的粒子，它們可以與地球大氣層中的原子相互作用，產(chǎn)生反物質(zhì)粒子。
中間藍(lán)色的就是地球，范艾倫輻射帶像蝴蝶，其中有反物質(zhì)
我們使用衛(wèi)星來(lái)探測(cè)宇宙射線，并尋找反物質(zhì)粒子的存在，距離我們較近的反物質(zhì)密集區(qū)域是范艾倫輻射帶，以下內(nèi)容來(lái)自百度百科：范艾倫輻射帶是環(huán)繞地球的高能粒子輻射帶，由美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·范艾倫于1958年發(fā)現(xiàn)的輻射帶分為兩層，內(nèi)層距地表約7000公里，外層約為13000公里。范艾倫帶粒子的主要來(lái)源是被地球磁場(chǎng)俘獲之太陽(yáng)風(fēng)粒子，這些帶電粒子在范艾倫帶兩轉(zhuǎn)折點(diǎn)間來(lái)回。科學(xué)家通過探測(cè)器探測(cè)到反質(zhì)子聚集區(qū)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在反質(zhì)子帶。這些反質(zhì)子被困在磁場(chǎng)帶中，直到它們?cè)庥稣ＡＷ硬l(fā)生湮滅反應(yīng)而消失。當(dāng)太陽(yáng)發(fā)生磁暴時(shí)，地球磁力線受擾動(dòng)變形，高能帶電粒子大量泄出，并隨磁力線于地球的極區(qū)進(jìn)入大氣層，激發(fā)空氣分子產(chǎn)生美麗的極光。
通過上面的內(nèi)容可以知道，反粒子都是確實(shí)存在的 “實(shí)粒子”。當(dāng)相應(yīng)的正反粒子接觸時(shí)，將湮滅成兩個(gè)光子。反過來(lái)，兩個(gè)光子相撞時(shí)也會(huì)生成一對(duì)正反粒子。舉幾個(gè)例子，比如：
1- 質(zhì)子和中子內(nèi)的強(qiáng)核力作用時(shí)，正、反夸克相遇時(shí)可以湮滅并生成光子。
2- 由正反夸克組成的正反介子，π+和π-相遇時(shí)可以湮滅并生成光子。
3- 傳遞弱核作用的正反玻色子，W+和W-相遇時(shí)可以湮滅并生成光子。
4- 正反電子、質(zhì)子、中子相遇時(shí)可以湮滅并生成光子和中微子或反光微子。
5- 上面1~4項(xiàng)是可逆的，即在外部能量作用下，光子和中微子這些輕子可以又轉(zhuǎn)化為正—反粒子對(duì)。
看到這里，可能有人會(huì)說，量子的世界真是“混亂”，說的有道理，不過混亂中還是存在“秩序”的，秩序就是反粒子不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的存在。在沒有高能量的規(guī)范場(chǎng)內(nèi)，這些反粒子存在的時(shí)間非常短暫，基本上以納秒(一納秒為十億分之一秒)來(lái)衡量。因?yàn)槲覀兩畹氖澜绯錆M了正粒子，反粒子想不與它們相遇都是很困難的事，雖然短暫，但是它們確實(shí)在我們身邊存在過。而我們開始提到的地球磁場(chǎng)中范艾倫輻射帶，在大氣層上方離我們較遠(yuǎn)一些，那里正粒子數(shù)量相對(duì)較少，所以反粒子和反物質(zhì)就能穩(wěn)定的存在。
宇宙中的虛粒子
相對(duì)確實(shí)存在的粒子和反粒子（二者統(tǒng)稱為實(shí)粒子），虛粒子的定義存在爭(zhēng)議，目前主流觀點(diǎn)如下，以下對(duì)虛粒子的解釋摘自百度百科和搜狗百科：虛粒子指在量子力學(xué)中確實(shí)存在并具有可測(cè)量效應(yīng)的粒子，被認(rèn)為一種不能直接檢測(cè)到的粒子。虛粒子可以用來(lái)描述承載力的粒子，包括引力子、膠子、虛光子和玻色子。虛粒子是虛構(gòu)粒子、假想粒子，是在量子場(chǎng)論的數(shù)學(xué)計(jì)算中建立的一種解釋性概念，指代用來(lái)描述亞原子過程例如撞擊過程中粒子的數(shù)學(xué)項(xiàng)。
按照現(xiàn)有多數(shù)科學(xué)觀點(diǎn)，W/Z玻色子已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)被發(fā)現(xiàn)，就應(yīng)該算作實(shí)粒子，可從虛粒子的行列中剔除此項(xiàng)，由此可見虛粒子和實(shí)粒子在概念上沒有嚴(yán)格的界限之分，最大的區(qū)別在于我們是否能夠觀察到它。而虛光子、引力子和膠子目前都是理論上的存在，從未通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，所以只好繼續(xù)充當(dāng)虛粒子的角色。
愛因斯坦質(zhì)能方程和海森堡測(cè)不準(zhǔn)不等式
虛粒子不必具有和對(duì)應(yīng)實(shí)粒子相等的質(zhì)量，這是因?yàn)樗嬖跁r(shí)間非常短暫，根據(jù)海森堡不確定性原理和相對(duì)論質(zhì)能方程，它在能量守恒的情況下質(zhì)量是可以變化的。虛粒子存在時(shí)間越久，它表現(xiàn)出的特征就越接近實(shí)粒子，因?yàn)槲覀兙陀锌赡苡^察到它。
這里將重點(diǎn)討論虛光子，在量子電動(dòng)力學(xué)中，電磁力的傳遞是通過交換虛光子進(jìn)行的，這種交換可以有很多種不同的方式。比如兩個(gè)電子之間最簡(jiǎn)單的傳遞方式是：第一個(gè)電子放出虛光子被第二個(gè)吸收；第二個(gè)電子收到虛光子后也放出一個(gè)虛光子被第一個(gè)電子吸收，如此繼續(xù)下去。這種方式類似于踢足球，兩個(gè)電子就是球員，虛光子就是那個(gè)“可憐”的足球，被電子踢來(lái)踢去，每次球員踢球時(shí)都要耗費(fèi)能量將其傳遞給足球，足球獲得了速度就攜帶著能量；而接球的球員又被足球能量所沖擊，又需要消耗能量去停球；因此完全不必?fù)?dān)心這種方式的傳球會(huì)成為“永動(dòng)機(jī)”，將球員和足球的能量一直增加下去。
稍微復(fù)雜一點(diǎn)的兩個(gè)電子交換虛光子過程是：一個(gè)電子發(fā)射出一個(gè)虛光子后，那虛光子又可以變成一對(duì)電子和反電子，這個(gè)正反電子對(duì)可以隨后一起湮滅為虛光子，也可以由其中的那個(gè)反電子與原先的一個(gè)電子一起湮滅，使得結(jié)果看起來(lái)像是原先的電子運(yùn)動(dòng)到了新產(chǎn)生的那個(gè)電子的位置；更復(fù)雜的，產(chǎn)生出來(lái)的正反電子對(duì)還可以進(jìn)一步發(fā)射虛光子，虛光子可以在變成正反電子對(duì)……而所有這些復(fù)雜的過程，最終表現(xiàn)為兩個(gè)電子之間的相互作用---產(chǎn)生電磁場(chǎng)和電磁力。
上述過程聽起來(lái)像繞口令直接讓人蒙圈，不如這樣，把兩個(gè)電子想象成公司和家，你每天拿著一個(gè)手電筒離開家去公司上去班，但是手電筒接觸不太好時(shí)亮?xí)r不亮，手電筒亮的情況下代表生成了虛光子，不亮則代表生成了正反電子。如果你家離公司只有100米，運(yùn)氣好手電筒一直亮著一直到單位；如果家離公司1公里遠(yuǎn)，手電筒會(huì)亮一下滅一下，這個(gè)過程有1萬(wàn)次，就是虛光子和正反電子來(lái)回轉(zhuǎn)化；如果家離公式10公里遠(yuǎn)，手電筒時(shí)亮?xí)r滅循環(huán)10萬(wàn)次。不論以上哪種情況，因?yàn)槟闵习嗟臅r(shí)間是早上八點(diǎn)，太陽(yáng)光較強(qiáng)而電筒的光很弱，而且電筒亮和滅的頻率切換較快，所以你根本感覺不到手電筒亮沒亮。同樣的道理，虛光子運(yùn)動(dòng)的速度就是光速，它和正反電子的轉(zhuǎn)換速度也應(yīng)為光速；而且根據(jù)量子物理的測(cè)不準(zhǔn)原理，即動(dòng)量越大位置越不精確，所以我們用最先進(jìn)的儀器一直也檢測(cè)不到虛光子。
量子電動(dòng)力學(xué)費(fèi)曼圖演示虛光子傳遞能量的過程
上述電荷的作用過程可以簡(jiǎn)單的表達(dá)為：
第一個(gè)電子→2γ→(e-)+(e+)→2γ→(e-)+(e+)……→2γ→第二個(gè)電子
其中γ為虛光子，e-為電子（即正電子），e+為反電子。那么根據(jù)上面描述得出以下推論：
1-量子電動(dòng)力學(xué)中，虛光子和正反電子對(duì)都是電磁相互作用的中間產(chǎn)物，虛光子是不能觀察到的假想粒子，就是為了平衡方程的數(shù)學(xué)常數(shù)項(xiàng)，像一個(gè)籌碼一樣被來(lái)回交換，但是這個(gè)籌碼最終會(huì)消失并以能量的形式賦予實(shí)粒子。換句話說，在“電子-反電子”碰撞中，產(chǎn)生的光子是虛光子，必然會(huì)在短時(shí)間內(nèi)“歸還”能量，再次分裂成“電子-反電子”對(duì)。上述過程是根據(jù)相對(duì)論質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)出來(lái)的，并不是我們實(shí)際觀察到的現(xiàn)象。
2-而在量子色動(dòng)力學(xué)中，膠子是傳遞強(qiáng)相互作用的粒子，具體過程就更復(fù)雜了，略過不談，直接上結(jié)論。由于夸克之間色禁閉的原因，實(shí)驗(yàn)室中一直無(wú)法觀察到膠子，因此膠子一直被認(rèn)為是虛粒子。
3-在量子電弱理論中，W+、W-、Z玻色子是傳遞弱相互作用的粒子，一度也被認(rèn)為是虛粒子。因?yàn)樯鲜霾Ｉ右呀?jīng)全部通過實(shí)驗(yàn)觀察到了，因此W+、W-、Z玻色子已經(jīng)升格為實(shí)粒子了。
根據(jù)以上3點(diǎn)，可近似的將虛粒子理解為數(shù)學(xué)中的虛數(shù)i，平方運(yùn)算時(shí)i^2=1成為實(shí)數(shù)，說明虛粒子和實(shí)粒子是可以轉(zhuǎn)換的。那么虛粒子準(zhǔn)確定義是：各類規(guī)范場(chǎng)中傳遞能量的且暫時(shí)無(wú)法觀察到的中間玻色子，一旦被證實(shí)存在它就可能是實(shí)粒子。
黑洞
但是在茫茫的宇宙空間內(nèi)，這就是另外一回事啦。比較新的理論認(rèn)為，虛粒子也是分為正虛粒子和反虛粒子，它們統(tǒng)稱為虛粒子對(duì)。以下是霍金黑洞輻射理論：根據(jù)量子理論，空間中并不是完全空的，而是有一定的量子起伏，這樣就會(huì)有一對(duì)對(duì)的正反粒子自動(dòng)產(chǎn)生。但絕大多數(shù)情況下這對(duì)粒子剛一產(chǎn)生，就又相碰湮滅了，它們無(wú)法被儀器探測(cè)到，好像從未存在過一樣，這種粒子便稱為“虛粒子”。但在特殊環(huán)境下，如黑洞周圍，在視界外面，由于引力如此之大，有些正反虛粒子對(duì)產(chǎn)生后，其中一個(gè)粒子被吸入黑洞，另一個(gè)粒子逃了出來(lái)，由于沒有了和它湮滅的對(duì)象，這個(gè)虛粒子就變成了實(shí)粒子 。如果正粒子吸入黑洞，出來(lái)的就是實(shí)反粒子；如果反粒子吸入黑洞，出來(lái)的就是實(shí)正粒子。
總結(jié)，粒子、反粒子、虛粒子之間的關(guān)系很像下面這張八卦圖，白色表示粒子（即正粒子），黑色表示反粒子，黑白在一起被統(tǒng)稱為實(shí)粒子。八卦圖是用墨汁在紙上畫的，正面顏色比較濃代表實(shí)粒子的質(zhì)量大一些，背面顏色比較淡一點(diǎn)代表虛粒子的質(zhì)量小一些。
八卦圖中白色是實(shí)粒子，黑色是反粒子，將圖翻一面就是虛粒子
可以看到，黑白圖案是互為對(duì)稱的，表示正反粒子的電荷、旋向是對(duì)稱的，質(zhì)量也相同；圖案為左白右黑不能互換，但是把白朝右拉同時(shí)黑朝左拉，黑白碰撞（寓意為正反粒子相遇）后會(huì)湮滅成空氣（寓意為實(shí)光子)，分開后又稱為黑白分明的正反粒子。把八卦圖沿著水平方向翻一面就是背面了，背面就代表虛粒子，此時(shí)左黑右白。如果你將圖案旋轉(zhuǎn)180°又成了左白右黑，和剛剛看到的正面圖案又一模一樣了，意味著虛粒子變成了實(shí)粒子；同時(shí)背面的黑白顏色都比正面要淡一些，意味著虛粒子的質(zhì)量比實(shí)粒子要小。
宇宙學(xué)家預(yù)測(cè)宇宙中存在暗物質(zhì)和暗能量，認(rèn)為宇宙由大約三分之二的暗能量和三分之一暗物質(zhì)組成，它們導(dǎo)致過去數(shù)十億年中宇宙一直在加速膨脹。因?yàn)槲覀円恢庇^察不到暗物質(zhì)和暗能量，所以暗物質(zhì)是由什么組成的一直眾說紛紜，比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撐暮退阉饕鎸⑵渲?jǐn)慎的稱為“暗物質(zhì)粒子”；而比較大膽的理論比如超弦理論，認(rèn)為是十維空間中的超弦構(gòu)成了暗物質(zhì)；更加激進(jìn)的理論認(rèn)為是中微子—反中微子構(gòu)成了暗能量，該理論甚至認(rèn)為中微子—反中微子對(duì)是四大基本作用力的全部媒介子。
暗物質(zhì)是什么樣？至少目前沒人真正知道
但是無(wú)論上述哪種理論，共同點(diǎn)就是都認(rèn)為真空并不“空”。根據(jù)海森堡不確定性原理，我們不可能同時(shí)精確地測(cè)出一對(duì)共軛量，所以星際之間所謂的“真空”中，不停的有能量以正—反粒子對(duì)、虛粒子—虛反粒子對(duì)的形式產(chǎn)生，然后又迅速的互相湮滅變成其它粒子和能量，這個(gè)過程中很像海水潮起潮落一樣，因此我們叫它量子漲落。不管各類粒子如何演變，總的能量一定是不變的。而這些正—反粒子對(duì)和虛粒子—虛反粒子對(duì)，以及驅(qū)動(dòng)它們來(lái)回演變的能量，也許就是我們苦苦尋找的暗物質(zhì)和暗能量。
進(jìn)一步推測(cè)，暗物質(zhì)向暗能量“借”能量后演變成其它粒子，然后又將能量迅速“歸還”給暗能量并回歸到初始粒子狀態(tài)；或者暗物質(zhì)釋放能量，實(shí)施上述完全相反的過程；但是整個(gè)宇宙的總能量是不變的，這正是物理學(xué)的基礎(chǔ)和哲學(xué)思想。盡管我們并不知道暗物質(zhì)和暗能量的原理，甚至只能用“暗”字來(lái)描述而無(wú)法為它們準(zhǔn)確的取名，但是可以相信它們一定是真實(shí)存在的。
春游時(shí)拍的，科學(xué)探索也要像這樣，百花齊放
熱門跟貼