论反物质与中物质

论反物质与中物质 朱锋 河海大学 江苏南京 （211100） Email:hhkjzf@sohu.com 摘要：本文对目前宇宙反物质探测工作进行研究，指出宇宙中反物质尚未探测到的原因在于 宇宙存在“中物质”。宇宙物质有三种：物质，反物质及“中物质”。根据中国古代哲学思想 论证“中物质”存在的哲学基础。在此基础上，推测粒子与反粒子相互作用产生“中粒子” 的过程以及“中粒子”的存在形态，并对宇宙“中物质”的形成过程进行设想。 关键词：反物质 ；中物质 ； 湮没 ；中国哲学 中图分类号：O572.3O572.3O572.3O572.3 .1.引言 1931年，狄拉克提出“电子海”的概念，指出真空是由所有负能态全部填满，正能态 则完全空着。如果负能态中有一个态空着，则狄拉克称之为“空穴”。一个负能态的电子能 吸收一定的辐射跃迁到正能态，从而在负能态留下一个“带正电荷的空穴”，狄拉克认为该 “带正电荷的空穴”具有与电子相同的性质，并预言其为反电子。1932 年，安德森用云室 观测宇宙线时发现了正电子，“正电子的发现使人们意识到反粒子及反物质的存在，从而使 人们对物质世界认识进入了一个新的阶段”[1]。随后，“反质子”与“反中子”相继在 1955 年、1956 年被发现。“事实上，各种粒子都有与之相应的反粒子，这个普遍的结论已被几十 年的粒子物理发展不断验证”[2]。由于各种反粒子的发现，人们认为宇宙中存在反物质，“物 质与反物质是完全对称的，宇宙中的天体和反天体应各为一半”[1]。1998年美国宇航局把阿 尔法磁谱仪送上太空，企图从宇宙射线中观测到反а粒子，为远处存在反物质天体提供证据。 但目前的观测结果并未让人们乐观。虽然，一些学者认为宇宙射线起源于宇宙物质与反物质 的湮没，但这是没有确切依据的。为什么人们仍未找到宇宙中的反物质的依据？本文认为应 该存在一种宇宙现象在其中施加影响，造成人类探测宇宙反物质的困难性。下文将从哲学角 度对此问题进行分析。 .2.中物质存在的哲学基础 目前，人们仍未找到宇宙反物质。本文认为问题在于人们的二元性宇宙物质种类观，即 认为宇宙物质种类只有物质与反物质。由于观测到各种反粒子，人们就从理论上认为宇宙的 物质与反物质等量，提出“反地球”“反太阳”等概念，以简单对称关系描述复杂的宇宙图 景，这未免过于乐观。反粒子存在意味宇宙存在反物质的可能性极大，但是物质与反物质接 触就会发生湮没，这是不可辩驳的事实。如果宇宙以简单的对称方式由物质与反物质构成， 那么没有谁能阻止由物质构成的星系与由反物质构成的星系，在交界处因湮没而辐射巨大能 量，以致该辐射能被我们观测到。但目前情况并未如此乐观。宇宙既然能够同时存在物质与 反物质，必然也存在阻止物质与反物质接触的机制，以维持宇宙物质与反物质在数量上的动 态平衡。因而，宇宙物质种类不应该二元化，应该还存在另一类与物质及反物质同等地位的 存在，称之为“中物质”。中物质应该具有不与物质与反物质湮没的特性，在宇宙中扮演阻 止物质与反物质发生湮没的角色，关于中物质的存在性，可以用中国古代哲学思想进行思辨。 《易经》是中国古代描述宇宙发展最深刻的哲学。文献[3]对易学进行深入研究与总 结，本文引用其部分易学观点。《易经》的《系辞传》中提出：“易有太极，是生两仪，两仪 生四象，四象生八卦。”此句是对宇宙产生与发展过程的抽象概括。该过程可以通用图 1 展 示： 图 1 太极生两仪、四象、八卦图 注：图片改自文献[3] 其中的“太极”是一种阴阳未分的原始状态，是宇宙最初浑然一体的元气，是生两仪、四象、 八卦的源头。“两仪”指阴爻与阳爻，代着对立的两面。“四象”指太阳、少阴、太阴、少 阳，它们是阴阳进一步分化结果。“八卦”是“四象”再进一步分化，指称万事万物。太极 生两仪、四象、八卦，所描述的宇宙产生过程与现代宇宙理论有高度相似性。按目前宇宙大 爆炸理论，“太极”相当于早期宇宙介质，即一切基本粒子构成的混合气体，其是一种宇宙 产生时的混沌状态。而如果把粒子对应于阳爻，反粒子对应于阴爻，则“四象”就是宇宙冷 却下来过程生成的物质与反物质，再由物质与反物质构成“八卦”，即万事万物。从这发现 《易经》的宇宙形成观与现代宇宙理论有极强的逻辑一致性。此处，太极图尤为特别，如果 阳爻代表白色，阴爻代表黑色，则阴阳鱼太极图则将阴阳卦爻化为两色，相互纠缠。黑鱼中 有一个白点，白鱼中有一个黑点，这是阴阳元气相通的表现。如图2. 图 2 太极图 阴阳鱼太极图中，阴中有阳，阳中有阴，阴阳交互一起。这是宇宙开始时的状态抽象，但本 文认为这更是宇宙的阴阳相互作用，形成阴阳同体的抽象。按阴阳鱼太极图为阴阳同体的抽 象逻辑，宇宙的粒子对应于阳，反粒子对应于阴，则阴阳鱼太极图阴阳作用形成的阳中有阴、 阴中有阳状态，可以认为是粒子与反粒子相互作用所形成的一种特殊粒子或能量。该特殊粒 子为对应于“中物质”的粒子，称之为“中粒子”。宇宙物质种类是三元的。关于三元性的 宇宙物质观，如果《易经》表达得相对隐晦，则《老子》更明确地表达该哲学思想，其第四 十二章有：“道生一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴而抱阳，中气以为和”。其中的 “道”就是宇宙的本原，为宇宙规律；“一”指宇宙天地的原初混沌的元气；“二”指宇宙天 地；“三”指天地产生的阴气、阳气与阴阳混合而成的和气。《老子》把构成宇宙的气分为三 种：阳气、阴气与阴阳混合而成的和气。这三种气构成宇宙万物。而“万物负阴而抱阳，中 气以为和”则进一步强调三种气在万物中的存在性，指出万物都包含着阴气、阳气和阴阳气 混合适中产生的和气。这揭示阴气与阳气在万物中的普遍性，与“和气”产生的特殊性—— 阴阳气必须满足混合适中的条件，才能产生“和气”。《老子》的三气构物观，对我们思考宇 宙图景有一定的指导意义：在宇宙中，物质与反物质存在具有普遍性，而中物质的存在具有 特殊性，其必须是在物质与反物质相互作用过程中，满足一定条件才能产生。当然该条件不 是物质与反物质简单的“混合适中”。关于宇宙三元性的物质种类观，在自然界与人类社会 可以找到相应的间接证据： （1）在一些存在雌雄性别的生物种群中，有时会出现“两性”的个体，即该个体既不是雄 性，也不是雌性。其是由于某种特殊原因造成基因突变所形成。 （2）在政治生活中，对于某决策，一般会出现支持派与反对派，特殊情况下还会出现中间 派。 （3）在社会组织结构中，存在有限公司与无限公司，有时还存在“两合公司”，即由无限责 任股东与有限责任股东组成的公司。 （4）在数学中，存在正数与负数，也存在既不属于正数也不属于负数的0. 等等，上面例子具有如下特点： （1）世界存在的种类具有三元性。 （2）具有“中性”的存在是在特殊情况下才出现：基因突变产生两性个体；特殊政治环境 产生中间派；特殊背景产生两合公司；正数与负数相加刚好抵消时，产生0. （3）“两性”的个体可能变为雄性个体或雌性个体（即使是表观上的）；中间派很可能变为 支持派或反对派；两合公司可以演变为有限公司或无限公司（不考虑法律约束条件）； 0通过加上或减去一个非零的数，就可以变为正数或负数 .3.中粒子的形成过程与存在状态 通过上面哲学思辨，说明宇宙的物质种类具有三元性。“中粒子”可能在宇宙存在，其 由粒子与反粒子在一定的特殊条件下相互作用而产生。“中粒子”具有不与粒子和反粒子湮 没的特性，但是在一定条件下，可以转化为粒子或反粒子。如果此假设成立，那么特殊情况 下会存在“中电子”“中质子”“中中子”等微观粒子。由于还没有证据证实“中粒子”的存 在，此处只能以“中电子”为例，推测“中电子”的产生过程与存在状态。我们目前知道一 个电子与一个反电子接触时会发生湮没，以光子的形式释放能量，即 2e e r + − + → 正负电子的静能都为 0.511Mev，据能量守恒定律，则每个光子能量为 0.511Mev。按本文推 测，电子与反电子相互作用也可能产生“中电子”。由于“中粒子”必须是粒子与反粒子在 特殊条件下才能产生，本文推测高温环境是特殊条件的一个必要条件。电子与反电子在一个 温度达到温度阀值 t 0 k的高温环境中相互作用，“中电子”可能以一定的概率 P 出现，P 是环境温度的P=P(t) t>t0 。令“中电子”表示为 e 0，则电子与反电子相互作用生成 中电子的过程表示为 0 e e e r − + + → + 或者 0 2e e e + − + → 据能量守恒定律，每个e  0的静能为0.511Mev，产生的中电子在一定条件下也可以转变 为电子或反电子，其转变过程有以下6 种可能： 0 e e + → 0 e e − → 0 2e er − + → 0 2e er + + → 0 e e er − + + → + 0 2e e e − + → + 但本文猜测 0 e e er − + + → + 或 0 2e e e − + → + 转化方式的可能性相对更大且相对合理， 因为这两个反应式右边都同时出现 e − 与 e + 且数目相等，可以维持 e − 与 e + 在数量上的动 态平衡。 进一步推测“中电子”的存在状态。据狄拉克“电子海”理论，反电子相当于负能态中 的一个“带正电荷的空穴”，正能态的电子陷入该“空穴”，则电子与反电子发生湮没而辐射 能量。据此推测“中电子”是电子与反电子相互作用在负能态“电子海”中产生的一块特殊 区域，该特殊区域由电子与反电子按 1 ：1 的比例贡献作用，以致其既不显示正电性质， 也不显示负电性质。如果按 0 e e e r − + + → + 的方式产生“中电子”，则说明电子与反电 子各贡献自己的 50%产生“中电子”，另外的 50%通过湮没以光子的形式辐射。如果按 0 2e e e + − + → 的形式产生“中电子”，则电子与反电子都各以自己的 100%对“中电子”的 产生贡献作用，不辐射光子。 .4..4..4..4.对宇宙反物质探测困难性的解释 如果“中粒子”确实存在，则可以为目前尚未探测到宇宙反物质提供一种解释。假设宇 宙不存在中物质，则在由物质构成的星系与由反物质构成的星系交界处，由于物质与反物质 相遇湮没，产生巨大辐射，这种辐射应该能被我们所探测到。但目前我们仍未探测到此种辐 射，一种可能的解释为宇宙的物质与反物质发生湮没时，形成高温环境，环境温度超过温度 阀值 to k 后，为“中粒子”的产生创造条件，而且温度越高，“中粒子”产生的概率 P越大， 概率P 可能在环境温度达到 t1 k 时，出现 P(t1)=1。由于“中粒子”具有不与粒子和反粒子湮 没的特性。“中粒子”的出现会造成粒子与反粒子相遇的可能性下降，阻止粒子与反粒子湮 没，并且这种阻止作用随“中粒子”数量增加而增大。阻止作用增大意味因湮没而升温的环 境会降温，此时周围的“中粒子”因温度下降而聚集一起，形成中物质，或者“中粒子”与 粒子或反粒子结合形成混物质（不纯的中物质）。但“中粒子”聚集形成中物质与混物质的 过程，造成阻止粒子与反粒子相遇的阻挡面积减少，粒子与反粒子湮没作用因此而增强，温 度又上升，“中粒子”数目增加，最终可能形成“粒子与反粒子的湮没”与“中粒子的产生” 动态平衡过程，在物质构成的星系与反物质构成的星系之间形成中物质区域或混物质区域， 该区域维持宇宙物质与反物质数量上的动态平衡。因而，宇宙的物质与反物质湮没产生的辐 射不大，以致我们难以探测到该辐射。图3 显示以上过程： 图 3 宇宙的中物质形成图 .5..5..5..5. 结论 本文对目前宇宙反物质探测工作进行研究，指出宇宙物质有物质，反物质及“中物质” 等三种形态。推测粒子与反粒子产生“中粒子”的过程以及“中粒子”的存在形态。设想了 宇宙“中物质”的产生过程，为目前宇宙尚未探测到反物质的原因提供一种解释。 参考文献参考文献参考文献参考文献 [1]潘炜.第一例反粒子.[J].大学物理.1997.16.(1):35-36 [2]张兆国.反原子和反物质.[J].武汉交通科技大学学报.1997.21.(5):587-590 [3]张其成.易道主干.[M].北京：中国书店.2003.11 [4]李耳.老子.[M]梁海明.呼和浩特：远方出版社.2007.1 OOOOnnnn thethethethe AntimatterAntimatterAntimatterAntimatter andandandand Mid-Mid-Mid-Mid- mattermattermattermatter ZHU feng Hohai University Nanjing (211100) China AAAAbstractbstractbstractbstract This paper studies the work that humans detect antimatter in the universe. It shows antimatter in the universe have not yet detected because of the existence of a new kind of material. There are three substances of the universe: material , Antimatter and "mid- matter ". The new kind of material’s philosophical foundation can be found in ancient Chinese philosophy .On this basis, it shows how a new "mid-particle" be born by a interactions between particles and anti-particle, as well as the existence of patterns of a "mid-particles". It tells a idea that how the "mid- matter "formats in the universe. KeyKeyKeyKeywordwordwordwordssss: Antimatter; Mid- matter ；Annihilation; Chinese Philosophy 声明：引用本文观点必须注明以下出处 “朱锋．论反物质与中物质［EB/OL］http://hhkjzf1900.blog.sohu.com/，2010 年 2月 28 日”