反氫原子束被CERN製造出來惹!! - 星際爭霸戰

※ [本文轉錄自 Gossiping 看板 #1IuawYgI ]

作者: ijsfkira (ijsfkira) 看板: Gossiping
標題: Re: [爆卦] 反氫原子束被CERN製造出來惹!!
時間: Fri Jan 24 19:29:35 2014

→ Israfil:如果說正反物質是互相對應的 那理論上反物質不是應該50%? 01/24 16:07
→ Israfil:所以反物質應該是被大量生產的結果嗎 01/24 16:07


這位鄉民問了一個具體 實際 並且"宇宙"無敵超級重要的物理問題

當然我不是搞這方面的(其實台灣搞這個的還不算非常少)

只是以前修過門專題課 被台灣在這方面的權威教授洗腦教育痛罵過

勉強還有些印象 有一些小細節我也不一定懂

至少要給出個大略圖像我想還是沒甚麼大問題

只是有任何錯誤與不足還請專業人士糾正或補充


先大略解釋一下反物質 因為有別的鄉民在問

其實反物質很好理解 每種物質都有對應的反物質

當物質和反物質碰在一起時 就會互相湮滅 變成能量

反物質和正物質基本上"幾乎"擁有一樣的性質

除了帶相反電量以外 "幾乎"沒有甚麼差別(後面會解釋這個"幾乎")

值得一提的是 反物質最早是Dirac為了讓自己的方程式不出現矛盾而提出的假設物質

因為Dirac方程式是描述自旋1/2粒子(基本上就是描述電子的)理論

加上反物質這種想法太革命性了

所以Dirac一開始還以為這種粒子是帶正電的質子 雖然實際上兩個粒子的質量差距非常多

反電子也在很早的時候就在雲霧室裡找到了

其實單純只是製造的話 造出比反電子更複雜的反物質 這次並不是第一次了

只是至今為止 我們還沒有在宇宙中觀測到大規模的反物質


反物質講完了

那麼就有個重要的問題:為什麼宇宙中 似乎正物質遠遠比反物質更多呢?

如果一開始兩者是差不多多的話(這也是一般物理學家偏好的情況)

那麼早就宇宙一開始誕生的過程

正物質跟反物質都已經互相湮滅了 就根本不會有你我在八卦版上發廢文的可能性

－除非我們的定律對於正反物質有所偏差

那麼到底如何解釋宇宙會留下比較多的正物質呢?

這個重要的問題 物理學家A.Sakharov在1967年時就提出了
(當然這個A.Sakharov更為一般世人所知的 恐怕是他在政治上所扮演的腳色
他幫助蘇聯研發氫彈 卻得到過諾貝爾和平獎)

滿足三個條件 就可以解釋為什麼後來剩下的正物質比較多

1.重子數不守恆

2.早期宇宙膨脹的過程 曾經脫離熱平衡

3.C跟CP對稱破壞

前兩者我不打算在這裡解釋 也不詳細介紹為什麼A.Sakharov提出這三個條件

我只打算解釋最後一個到底是甚麼


甚麼是C和CP對稱呢?

C對稱指的就是 物理定律對於正粒子跟反粒子都是一樣的

CP對稱指的就是 將C跟P聯合在一起的對稱性

其中P(宇稱) 最簡單的講法是 物理基本定律應該對於左跟右沒有偏好

因為人們很早就發現了存在C破壞跟P破壞的物理現象

所以人們一直以為 就算C跟P都破壞了 將C跟P聯合在一起 應該還是對稱的

而要這些條件的真正原因

是因為希望早期宇宙所產生的各種正反物質

能在正物質 反物質 經由彼此交互作用力影響湮滅之下

留下比較多的正物質


那麼 首先 實驗上到底有沒有發現這些對稱破壞呢?

我已經說了 C對稱跟P對稱很早以前就早到反例了 是在弱作用造成的衰變現象之中

人們本來以為弱作用在CP下應該是對稱的

但最終沒有人預期到 在K介子的衰變之中 人們觀測到極小(接近千分之一)的CP破壞!


而理論上 究竟應該怎麼解釋CP破壞呢?

答案是 至今為止沒有辦法從任何一個基本原則 來告訴我們為什麼會有CP破壞

我們能做的 僅僅只是根據實驗結果

努力試著調整參數 將依據其他原則而被有一些限制的理論 能夠解釋我們的實驗

這就是2008年 小林跟益川教授得到諾貝爾獎的原因

他們為了解釋K介子的CP破壞 而假設夸克必須要有三代(六種)

雖然他們的工作基本上沒有太多數學複雜度可言XD

其實就是本來的理論已經沒參數解釋K介子的CP破壞

他們找到了地方 多塞進了自由度 因此有更多的參數來解釋現象

儘管如此 他們的理論能夠解釋K介子的CP破壞 並且第三代夸克後來也找到了



但這就是故事的完結嗎?

當然不是 因為我們發現的CP破壞實在是太小了 根本不足以解釋宇宙為什麼留下了正物質

於是乎 各種尋找別的CP破壞來源的實驗依然還在進行

其中最重要的實驗之一 就是期望在B介子系統中 觀測到新的CP破壞現象

這方面 世界上有兩個專門做B介子實驗的地方 分別是義大利的BaBar和日本的Belle

我之所以特別指出來

除了要指出這世界上最前沿的高能實驗並不只有找Higgs跟超對稱的LHC而已

另外也是因為台灣也有一些物理學家 在這上面默默付出了很多的時間和努力 有些成果
(甚至曾經有一些轟動的結果)

這不一定是這麼容易的事的

要知道 現在的國際高能實驗 越來越走向國家間合作 有能力的大國終究還是握有掌握權

除此之外 關於微中子的CP破壞

或者究竟為什麼 CP破壞只出現在弱作用力 而並非強作用力中

這些都是最前沿 仍未解的物理學問題



打了這麼多 應該有很多人已經end了吧

畢竟這些東西並不像很多聽起來酷炫的理論一樣神奇

然而 CP破壞卻是第一級重要的物理問題 比起很多聽起來很重要的物理問題都實際的多

並且 在這個問題上 物理學家已經長年沒甚麼進展...

我們甚至根本就沒有任何一個原則 可以告訴我們究竟為什麼理論會或不會有CP破壞

即使我們有如此多的物理天才 和各種的奇思異想

卻終究唯有靠著實驗學家再進一步發現些甚麼 我們才能真正對於這個問題有實質的進展

--