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你想过没有 , 为什么宇宙中会有物质 , 而不是什么都没有?为什么会有你、有我 , 又有她?这个问题是当今宇宙学 , 乃至整个物理学最大的一个难题 。
那我们是啥?我们是正物质 , 因为我们是由质子、中子和电子组成的 , 所以问题是宇宙中为什么会有 , 质子、中子和电子?
那么产生这个问题的原因是 , 重子数守恒和轻子数守恒 , 这里我解释一下 , 质子和中子是重子 , 电子是轻子 , 因为一个重 , 一个轻 , 所以叫重子和轻子 。
重子数守恒和轻子数守恒说的是 , 宇宙中重子的数量和轻子的数量保持恒定 , 不会发生变化 。
你看 , 日常生活中的化学反应只会涉及到化学键的断裂和结合 , 就算是核反应也只是原子核的分裂与重组 , 并不会影响到重子和轻子 , 也不会让他们的数量发生改变 。
其次就是β衰变 , 中子在经过βˉ衰变以后 , 会变成质子、电子和反电子中微子 , 从这个反应中可以看出 , 重子数依旧没有变化 , 只不过是一个中子变成了质子 , 虽然生成了电子 , 但又生成了一个反电子中微子 , 这也叫轻子 , 但它的轻子数和电子的轻子数相反 , 所以相互抵消 , 轻子数依旧没有变化 。质子到中子的β+衰变也一样 , 变来变去并不会改变重子数和轻子数 。
所以就我们目前所知 , 在当今的低能宇宙中 , 我们无法改变重子和轻子的数量 , 那有些同学就要问了 , 那我拿一个反质子或者一个反电子 , 跟质子和电子一湮灭 , 这不就破坏他们的数量守恒了吗?
对!确实可以!但问题是 , 你去哪找反质子和反电子?要知道 , 我们所有的实验和观测都表明 , 当你想要创造一个反物质的时候 , 同时会创造出一个与之对应的正物质 , 当你想要毁灭一个正物质的时候 , 必须要毁灭一个与之对应的反物质 。
就拿电子来说 , 狄拉克的方程预示着电子具有负能量 , 也就是在原子的基态之下 , 还有负无穷个能级 , 这些能级都被具有负能量的电子给填满了 。
所以具有正能量的电子才没有掉入负能级 , 这是因为泡利不相容原理 , 因此真空在我们看来就是一个负能量的海洋 , 海平面就是能量的0点 , 海平面之上就是正能量的世界 , 这就是我们常听说的狄拉克之海 。
既然在0点以下的能级中还有电子 , 那这些电子就应该能被激发出来 , 跃迁到正能量的世界 , 对吧 , 所以我们只要给真空中注入能量 , 比如说用一个伽马光撞击原子核 , 当这个伽马光子的能量等于2mc^2 , 其中m是电子的质量 , 我们就能把真空中的电子给他激发出来 , 那么失去电子的真空就会留下一个空穴 , 这个空穴会表现出正电荷 , 这就是我们所说的正电子 。
所以说 , 我们只要创造一个正粒子 , 就会在真空中留下一个与之对应的空穴 , 这个空穴就是它的反粒子 , 正反粒子很快就会湮灭掉 , 然后释放出刚才激发的能量 , 说白了就是这个激发出来的正粒子很快就会回到空穴中 , 也就是跃迁到了更低的能态 , 然后就释放出能量了 。
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