夸克遇上反夸克

时间:2023-11-25 04:29:03

强力将夸克或者反夸克聚拢起来形成“三体”,同样也可以将一个夸克和一个反夸克聚拢。我们在宇宙射线和加速器中发现的很多粒子都是由一个夸克和一个反夸克构成的,比如,介子和“奇”K中介子。这种结合既不是物质也不是反物质;它其中两者兼有:一个夸克是物质,一个反夸克是反物质。当一个夸克和一个反夸克被禁锢在某个微型宇宙中,这个宇宙仅有十亿分之一毫米大小,那么它们就会相遇并且几乎立即湮灭。因此,介子和K中介子寿命极短,刹那间就湮灭了。

我们已经可以通过实验观察到质子与反质子相遇时的状况。有时它们会慢慢飘向对方,而有时又会以极高的速度相互碰撞,而产生的最终产物是不同的。碰撞速度越快,能量就越大,爆炸产生的介子或γ射线就越多。通过这些实验,科学家们认识到了很多,以至于如果真有人成功地制造出了反物质能量源或反物质炸弹,抑或当外太空的反物质岩石撞入大气层,我们已经可以预测到即将发生的结果。

这些实验还发现,湮灭过程并不是瞬间完成的。相反,在相互进入并最终结合之前,一对质子和反质子会跳一支华尔兹舞。想象一下,当反质子接近时,物质中的质子会怎样。质子带的正电荷会产生一个电场,这个电场会向外部空间扩散,范围超过原子尺度。虽然这个范围只有约百亿分之一米,看起来很小,但是已经比质子和反质子自身尺寸大了上万倍。如果反质子以一个相对慢的速度靠近质子,就会陷入质子的正电荷引力中,开始绕着质子旋转,很像电子在原子中的情形。最初的旋转轨道会很大,但是旋转过程中反质子会丧失能量,旋转轨道也会慢慢变小,并不断地放出γ射线。我们所能测到的γ射线就是来自于此,而γ射线的能量揭示了这个事件的过程,正如车祸现场的轮胎刹车印一样。

反质子的旋转轨道不断缩小,最终进入了强力的作用范围,这个力对于质子和反质子而言都是无法抗拒的。这曲华尔兹舞蹈也许会持续百分之一秒,但是一旦进入强力的陷阱,就会被斩立决。这个灾难的信息会以光速穿过质子和反质子,在1018 分之一秒内就会消失,留下γ射线和介子。接着这两个产物也会消失;介子是由一个夸克和一个反夸克构成的短寿命结构,会自行解体变成更多的γ射线,也可能变成电子、正电子或者幽灵般的中微子,而所有的一切都会从湮灭中带出能量来。

湮灭提供给物质释放自身能量的唯一机会,但这个机会是一把双刃剑。在我们的物质世界中,反物质是无坚不摧的。要将反物质利用起来,我们就必须将它保存好并不能与任何物质接触,一直保存到我们想使用它的时候。怎样才能解决这个问题呢?接下来我们将会谈到。