反物質是由粒子和波構成？看看實驗中如何被證明的

作者：文/虞子期

反物質是由波浪組成的，而不只是由反粒子組成。但是現在，物理學家們已經通過最新研究證實：通過單個正電子層電子的反物質欒晶顯示，該反物質也是由粒子和波構成。簡而言之，即使是在單個反物質粒子的水平這個前提條件之下，組成原理也是如此。

反物質的主要特徵和神秘屬性

關於反物質，可以用一句話進行簡單的描述：它是正常物質的反狀態。並且，當正常物質和反物質一旦相遇，雙方便會發生互相泯滅抵消。在這個過程中，甚至還會爆炸產生巨大能量。作為正常物質的鏡像的反物質，它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。從根本上來講，反物質其實就是物質的一種倒轉表現形式。

通過三千萬光年的範圍內都沒有反物質天體這一現象，可以說明宇宙之中大塊的反物質並不存在，這也是為什麼大多數理論家都認為，宇宙中不可能發生反物質的大尺度分離。雖然它們也認為，在極早期的宇宙中，正反物質應當是等量的級別。於是，尋找物理機理，說明宇宙的這一變化就成了當前的困難，需要說明宇宙是通過怎樣的變化，然後實現了從正反物質等量的狀態，過渡到了正物質為主的狀態。

一次又一次顯示的粒子波二元性

關於粒子波二元性，算得上是一個比較知名的概念。長期以來，物理學家們都知道一個客觀現實，那就是幾乎所有的東西（包括光和其他形式的能量），甚至是你體內的每個原子，它們都是以粒子和波的形式存在著。在以往的實驗中，這個概念一次又一次的顯示出來。

但反物質就不同了，就像它們的物質夥伴一樣，如果排除它們的相反電荷和旋轉情況，那麼是難以進行實驗的。如果這些物質的雙胞胎瞬間存在，則往往都是大質量的粒子加速器。曾經，為了證明電子也是波，物理學家們進行了比「雙縫實驗」更複雜的版本。

電子能像波浪或粒子一樣運轉

這是一個看似簡單的設置：一把槍在牆壁上射出單個電子，有兩個可以打開或關閉的小縫隙。一旦它們穿過狹縫，電子就會撞擊探測器。費曼預測，當狹縫打開的數量為一個的時候，電子的表現會是顆粒；當兩個狹縫都打開的時候，電子則會在由波干涉形成的探測器上產生特徵性的光暗條紋圖案。換而言之，一個波峰有時候會增加它的波峰，然後形成明亮的斑塊。但是在其他地方的時候，波峰和波谷則會重疊，而後形成了黑暗區域。

經典雙縫實驗的結果並沒有顛覆任何基本定律，即使在之前曾被認為過於具有挑戰性。這個實驗捕獲了神秘的量子特性，並且讓電子像粒子或波浪一樣運轉。即使我們知道它應該以這樣的方式工作，但實際去實現這件事卻是有特殊價值的。雖然新的實驗，可能不會引起關於量子力學的問題，但重要的是檢查這些基本定律，是否像物理學家在許多不同的設置中所期望的那樣。

實驗中的干涉測量法是什麼

在一開始的雙縫實驗中，科學家們的研究就準備了足夠的可能，在一張帶有兩個夾縫的薄片發出一束電子，而另一側則放置了一個探測器。那麼科學家們又是如何判斷的呢？當它們在探測器上形成兩條亮線團，那麼這電子就只是粒子。但如果它們的作用反應如波浪一般，它們就會變得和光一樣「衍射」，然後會形成很多交替的更亮和更暗的線條的展開圖案。

簡而言之，當兩個波重疊並且相對移動的時候，波的峰和谷會抵消或者相加，而後產生一種被稱為干涉的獨特模式。所以，這種類型的實驗被科學家們稱為干涉測量法。物理學家們已然證明，只要你從反射表面去反射正電子，那麼它們就會變得像波浪一樣。雖然到目前為止，他們並未通過雙縫實驗去證明個別正電子也具有波浪性質。

粒子、能量和物質的相互作用

最小實驗觀察到的物質粒子以及能量和物質之間的相互作用，有一個理論的集合，被稱作標準模型。夸克和輕子組成了物質，基本玻色子提供了電磁、強核力和弱核力。雖然，2012年發現的希格斯玻色子提供了其他粒子質量如何的解釋，但作為第四個基本力量的「重力」，卻並沒有在標準模型中有所解釋。

夸克的組成包括了六個粒子，分別是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）；輕子組包括電子中微子，μ子中微子，tau中微子，電子，μ子和Tau粒子；玻色子包括光子，膠子，Z粒子，W粒子和希格斯。但是，目前的標準模型並不完整，並未解釋已知宇宙的許多重要特徵，比如：重力、暗物質和暗能量。

正電子的波動性質如何被證明

來自瑞士和義大利的物理學家團隊成員們，研究出了如何產生低能量正電子束，這些正電子束可以在雙縫實驗的第一個反物質版本中運用。但是，當物理學家指示正電子通過更複雜的一系列多個狹縫之時，正電子則以一種不是單個粒子、而是我們所期望的波浪的方式落在了探測器上。

Paola Scampoli，是米蘭理工大學的物理學家，也是這項研究論文的共同作者。他表示：根據整個過程的觀察，物理學家們通過證明量子力學起源（正電子），從而證明了正電子的波動性質。並且，這項工作為新的「干涉測量」實驗打開了大門。

在以後的時間裡，經過研究人員們的努力，將能解答更加複雜的奇異物質的波浪性質相關問題，然後將這些結果運用到探測非常小尺度的重力性質。為徹底揭開宇宙反物質之謎，前面還有漫長路要走。人們已能預料，這問題的解決不僅對認識宇宙是重要的，它對物理學的影響也將是很深刻的。通過這樣的實驗，物理學家們有機會比以往任何時候，都更加深入的水平上去研究反物質的行為。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！