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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611282]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 七、结语
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我们有关反物质的介绍到这里就要结束了，虽然自人类发现反粒子迄今已有大半个世纪，但在理解物质与反物质的关系上还存在许多待解之谜。除了宇宙学尺度上正反物质的不对称外，在微观尺度上正反粒子也存在着令人困惑的不对称。物理学家们曾经认为，如果我们把一个微观物理过程中的所有粒子都替换成相应的反粒子，并且透过一面镜子去看它，那么我们所看到的新过程将与原过程有着相同的发生几率。这种对称性就是我们介绍萨哈洛夫条件时提到的CP对称性。由于这种对称性，反物质有时也被称为镜像物质。但令人困惑的是，这一对称性既非完全成立，也非完全不成立，而是非常接近成立[6]。大自然为什么要让这面特殊的镜子如此接近完美却又不让它真正完美呢？我们不知道。
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反物质是宇宙中的稀客，但这稀客是从相对意义上讲的，宇宙中反物质的绝对数量依然是极其庞大的，足以为科幻小说留下巨大的驰骋空间，这是值得庆幸的。只不过，反物质星球的存在看来是极不可能的，因为没有任何天然的物理过程能够让反物质有效地汇集起来，并在这一过程中免遭普通物质的“致命骚扰”。而反物质生物的存在则比反物质星球更加不可能得多，因为即便存在反物质星球，在那种星球上要想演化出生物来也是难以想象的。我们知道，即便在距离太阳系的形成已有约50亿年、太阳系空间已相当“干净”的今天，地球每天仍会受到上千万次的陨石撞击（这些陨石绝大多数在大气层中烧毁，只有少数落到地上，因此我们不必担心它们会恰好砸在我们头上），这些陨石的总质量约有几吨。这样的质量相对于庞大的地球来说无疑是微乎其微的，但同样的情形如果发生在一颗反物质星球上，那么这几吨的陨石（普通物质）与星球上的反物质湮灭所释放的能量将相当于上百万颗广岛原子弹爆炸所释放的能量[7]。要在一个每天被上百万颗原子弹轰击的星球上产生生物，这恐怕是最高级的想象力也难以胜任的。
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因此，如果有朝一日我们与某种外星球的高等生物建立了联系，我们可以大大方方地伸出手去和他们相握（如果握手对他们来说也代表友善的话），而不必担心大家会在这样的亲密接触中相互湮灭[8]。
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2007年5月4日写于纽约
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2014年10月23日最新修订
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[1]比狄拉克稍早，瑞典物理学家克莱因（Oskar Klein）、德国物理学家高登（Walter Gordon）及奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）也提出了一个试图融合量子力学与相对论要求的方程：克莱因-高登方程（Klein-Gordon equation）。但克莱因-高登方程具有一些当时看来比狄拉克方程更令人不易接受的特征，延后了它被真正重视的时间。
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[2]其实在经典相对论力学中也存在负能量状态，但在经典情况下我们可以摒弃负能量状态而不用担心它们对正能量状态产生影响，因为这两者之间存在一个非零的间隙（请读者想一想，对电子来说这一间隙有多大），而经典的物理过程都是连续的，从而不可能跨越这一间隙。
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[3]正反粒子的湮灭产物可以是多种多样的。一般来说，参与湮灭的正反粒子的质量越大、能量越高，湮灭产物的种类通常就越多，在低能湮灭——尤其是轻粒子的低能湮灭——过程中，则有很大的几率产生光子对。
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[4]在云室中比较同一种带电粒子的速度快慢是十分容易的，因为速度慢的粒子比速度快的粒子更容易被磁场所偏转，因此通过比较粒子径迹的偏转幅度——确切说是曲率——就可以比较出它们的速度快慢。
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[5]值得一提的是，当时和安德逊一同在加州理工大学跟随密立根从事实验物理研究的中国物理学家赵忠尧早在1929年至1930年间，就在研究硬γ射线穿越物质时，观测到了后来被证实为是源于正负电子对的产生的反常吸收效应，以及源于正负电子对的湮灭的特殊辐射——虽然这些实验并未直接观测正电子。
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[6]在1957年以前，物理学家们想当然地认为所有这类离散对称性都是严格的，直到1957年宇称对称性倒下之后，才开始对离散对称性进行区分，但它们大都像多米诺骨牌似地也倒下了。CP是倒得比较慢的一个，前后也只经过了7年。
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[7]有读者可能会问：为什么不干脆假定那些陨石也是反物质？从纯粹假定的角度上讲，自然是可以的，但我们的讨论有一个前提，那就是承认我们这个宇宙——如目前的理论与观测所表明的——是一个物质为主的宇宙。在这样的宇宙中，越是大尺度的反物质分布就越不可能。因此我们对反物质出现的尺度只做最低限度的假定。
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[8]不过，如果我们真的担心他们有可能是反物质构成的，也有办法在见面之前加以确认，确认的方法就是利用刚刚提到过的微观世界正反粒子之间的不对称性。李政道在其教材Particle Physics and Introduction to Field Theory（科学出版社出过中文版：《粒子物理和场论简引》）的第9.2节中对这一问题作了饶有趣味的论述，感兴趣的读者可以参阅。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦
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绘画：张京
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 从伽利略船舱到光子马拉松[1]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611284]
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一、从相对性原理到相对论
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现代人都知道，我们脚下的大地并不是静止不动的。事实上，在读者们阅读本文标题的短短一秒钟的时间里，我们脚下的大地已随着地球的自转移动了几百米（除非你很靠近两极），随着地球绕太阳的公转移动了约30千米，随着太阳系绕银河系中心的公转移动了约220千米。而我们的银河系也没闲着，它相对于所谓的宇宙微波背景辐射参照系移动了约550千米[2]。这些运动大多数比火箭还快得多，人们却在很长的时间里一无所知，这是为什么呢？这个问题是我们的前辈在接受地球运动这一观念时面临的一大困扰，也是近代科学的一个启蒙性的问题。