什么是普通物质、反物质、暗物质和暗能量?
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发布时间：2022-04-26 22:11
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时间：2023-11-09 10:43
经常关注宇宙学得朋友，肯定都看到过反物质、暗物质和暗能量，这三个物理学中的词汇，除了这三个还有一个普通物质，它们一起构成了宇宙中以前存在、现在存在的所有物质/能量形式，其中的反物质在目前的宇宙中，据我们观察并不存在，而暗物质、暗能量、普通物质依然充斥着宇宙空间，组成了我们当今的宇宙。
那么什么是反物质、普通物质、暗物质和暗能量呢？以及当今的宇宙中为何不存在反物质？它们去哪了？今天就说下这个问题。
我为何要把普通物质放在最前面，首先介绍呢？原因就是普通物质最简单、我们也最容易理解，因为我们人类自己本身，包括我们目前能在地球上、宇宙中看到的一切事物，都有有普通物质组成的。
在宏观尺度上看，一些物质的结构/集合，包括你手上的手机、面前的办公桌、水杯、呼吸的空气、脚下踩的地球、家里的宠物、以及更大尺度上的地球、太阳系、银河系、星系团都有我们所说的普通物质。这些物质，我们看得见、摸得着所以一点也不奇怪和陌生。
从微观的尺度上看，所有的普通物质都有由原子/分子构成的，而在原子之下，就是亚原子粒子，包括：轻子（e－、μ－和τ－以及三个对应的中微子）、重子（中子和质子），其中重子不是基本粒子而是复合粒子，在它们之下就是六味夸克和8个胶子。总的来说，上图标准模型中的粒子，夸克、轻子、玻色子这些基本粒子就构成了我们所看到的普通物质世界。当然，你和我也是由这些基本粒子构成的。这就是我们普通物质世界，很好理解吧。
我把反物质放在物质之后是因为从字面上来说，你应该能够理解反物质其实就是组成我们普通物质世界的一个反面，所以接下来说反物质，应该也很好理解。
反物质目前在我们的宇宙中，据我们的观察是不存在的（后面会说原因），所以我们发现反物质之前在宇宙中存在过肯定不是通过观察得出来的结论，而是先通过理论预言出来的，上实际20年代，狄拉克在它的方程中首先预言了反电子的存在，随后在30年代，安德森在云室中发现了反电子的运行轨迹，验证了狄拉克的预言。至此我们就直到了我们的普通物质世界存在一个反世界版本。
就拿电子来说，在我们的正物质世界中，电子带有一个负电荷、自转为1/2、质量为0.511Mev/c^2，轻子数为+1，那么电子的反物质版本，正电子其质量和电子一样，但自旋相反为-1/2，且带有正电荷，轻子数为-1，也就是说正电子和电子相比较，电荷相反、自旋相反、轻子数相反，其他的任何行为都是一样的。从以上的性质就可以看出来，正电子就是电子的镜像。
由于电荷不同，因此正电子和电子在磁场中发生偏转的轨迹就不同，这就是上世纪30年代安德森发现正电子所使用的原理，假如电子往左偏转，那么正电子就会往右偏转。在我们发现正电子以后，反质子、反中子、反夸克相继被发现。
这就说明了，在标准模型中的所有粒子都有自己的反版本，当然玻色子，例如光子、胶子它们的反粒子就是自己本身。
物质世界反版本的发现，让我们之前认为的宇宙中重子数和轻子数守恒的想法被击破，因为在反物质被发现之前，我们认为一个原子核中的质子和中子虽然可以相互通过β+和β-衰变来互相转换，但不论怎么变，原子核中的重子数都是守恒的，也就是说宇宙质子和中子的数量加起来是不会发生变化的。
但是反物质的发现就打破了这个认知，因为反物质有着和物质相反的重子数，它们相遇以后就会发生湮灭，并且以光子的形式释放出能量。也就是说，正物质和反物质相遇就会变为纯能量，这个过程也是可逆的（高能光子相撞可以产生正反物质）。这样一来宇宙中的重子数和轻子数就不是守恒的了，它们也可以被创造和毁灭。
重子数和轻子数的不守恒，其实对我们理解宇宙起源来说是一件好事，因为这样我们就能解释宇宙中的物质是怎么来的，如果宇宙中的重子数和轻子数是守恒的，那么一开始宇宙中没有任何的重子和轻子，它们的总数量为0的话，我们是没有办法解释物质的起源问题。
你看，在宇宙诞生初期，在一定的温度下，能量会自发的产生物质和反物质，并且这些正反物质会互相湮灭又变为了能量，在这个过程中宇宙中的重子和轻子数是守恒的，但是由于我们目前还不清楚的某种机制，导致了宇宙在一定的能量下，打破了重子和轻子数是守恒的规律，造成了正物质和反物质数量的不对称，其中正物质粒子比反物质粒子在数量上多了10亿分之一，那么随着宇宙的碰撞冷却，能量也不再足以自发的产生正反粒子对，那么接下来反物质在和正物质烟灭后，多余的正物质就被保留了下来，这些物质就构成了我们现在看到的宇宙中的一切。
上文中我们插入目前标准模型物质粒子的图片，在哪上面有正物质粒子有反物质粒子，但是就是没有暗物质粒子，这说明啥？意思就是，目前暗物质到底是什么鬼，我们并不清楚。标准模型中的粒子，并不能解释暗物质粒子的问题。
你看，上文中我在描述我们现在能看到的宇宙时，强调的是普通物质，并没有说成物质。这是因为，暗物质其实也算一种物质，它们切切实实的存在于我们当今的宇宙中，而且占了宇宙物质比例的85%左右，也就是说，我们宇宙中的所有物质，其中就有大部分我们并不知道是啥，我们只能看到15%的普通物质。
那么我们看不到暗物质，为何会知道暗物质存在呢？其实我们发现暗物质存在，并不是看到了暗物质，而是观测到了没有暗物质存在就不能解释的一些引力异常现象，也可以称为引力缺失，质量缺失。例如，星系旋转速度异常，星系团中的星系运动速度异常。这些异常现象就直接指向了在我们的宇宙中，还存在大量的我们看不到的物质形式，在默默的提供着引力。
那么为什么我们发现不了暗物质呢？原因就在于这种物质粒子，它们不参与电磁相互作用，也不参与弱相互作用，只能和引力互动，所以我们没有办法通过有效的手段去发现这些粒子到底是什么！也就是说，暗物质除了给我们普通物质世界提供引力以外，完全不会和普通物质发生任何的交互。这是我们目前不知道暗物质是啥的根本原因。
暗物质和暗能量被称为两暗兄弟，从名字就可以看出来我们对暗能量也是知之甚少，我们目前只知道它是宇宙空间中存在的一种固有的能量，并且会在短时间内以正反虚粒子对的方式出现，然后瞬间湮灭，将能量归还给宇宙虚空。我们发现暗能量的原因是，随着我们对宇宙演化的理解，之前认为宇宙的空间会一直在引力的作用下发生减速膨胀，至于在未来膨胀速度能减到什么程度，这就要看宇宙最初的膨胀率和物质密度了。
其结果无外乎有三种可能：
1. 引力在未来获胜，宇宙发生逆转收缩，在大坍缩的结局下终结
2. 引力无法逆转宇宙的膨胀，宇宙会一直匀速膨胀下去，直到死寂。
3. 引力和宇宙膨胀率处于临界值，宇宙不会膨胀也不会收缩。
但是我们在上世纪90年代通过对1a型超新星的观测发现，宇宙真实的膨胀情况并不是以上的三种可能，而是我们的宇宙正在加速膨胀，这就说明了在宇宙中还存在着一些我们未知的能量形式，在为宇宙提供着负压，拉扯着空间加速膨胀。这种未知的能量就是暗能量。
值得注意的是，这种我们不知道能能量形式，占了宇宙总质能的70%左右，也就是说，在我们的宇宙中，大部分的能量是一种我们不知道的能量形式，而我们的普通物质只占了总质能的5%不到。
以上就是我们宇宙中的能量形式，普通物质、反物质、暗物质、暗能量。不知道你看后有何感想！
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时间：2023-11-09 10:43
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时间：2023-11-09 10:44
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