第四节 暗物质、反物质

一、暗物质的组成及其作用

1、暗物质：负性物质

有了四种二重纠缠态的轻子和四种重子，依据“三生万物”法则和三个简并律，就可生成三种物质：物质、负性物质和中性物质。由于负性物质不发光，因而称它们为暗物质。

暗物质虽不参与电磁相互作用，但却排挤暗能量引力场子而提供引力作用，也就是说暗物质是有质量体积的。它构成了宇宙质量的大部分，并形成了组成星系的框架。暗物质所排挤出的引力场子是将星系和星系团聚在一起的引力“胶水”。天文学家可以通过测量它的引力如何影响恒星及星系来间接地探测它的存在。

暗物质与构成恒星、行星和人类的正常物质不同，是由负性物质构成的，与正常物质的相互作用较弱。暗物质，其起源不会早于宇宙大爆炸！无法通过电磁波的观测进行研究，人们目前只能透过重力产生的效应得知，而且已经发现宇宙中有大量暗物质存在。

最著名的一个实例就是子弹星系团大碰撞，碰撞涉及两个星系团，总共1000多个星系。这次撞击非常强烈，形成了巨大的子弹形冲击波，因而得名。这次撞击揭示了看不见的东西：暗物质。是将星系团结合在一起的“胶”，是它形成了整个宇宙中恒星和星系的引力基础。当两个星系团相撞时，它们的气云相撞并相互降低对方的速度。可是，暗物质几乎不与任何物质相互作用，只是天马行空，所以在星系团相撞后，它们会像鬼魂一样穿越对方，身后留下气体。

天文学家碰巧捕捉到了处于碰撞中期的子弹星系团，他们的测量抓住了暗物质开始甩开气体的那一瞬间，所以首次探测到了独处的暗物质。

多亏了子弹星系团大碰撞，科学家得以看清楚这种神秘的东西。这次碰撞暴露了暗物质，将其与恒星和气体等常规物质分开，给我们提供了一条暗物质真正存在的直接证据。

所有星系都形成并嵌入暗物质引力场中，暗物质本身由缓慢移动或“冷”的负性物质组成。但由于暗物质本身既不发光也不反射光，因此无法被直接观测到。科学家只能通过大的恒星甚至是银河系的引力对光线的扭曲情况来间接推知暗物质的存在。

哈勃望远镜的图像显示，来自类星体图像的光由于巨大前景星系的引力而扭曲并放大，这种效应被称为引力透镜。天文学家利用这种透镜效应来探测冷暗物质的引力是否扭曲了类星体发出的强光。

果不其然，通过比较光线的实际轨迹和计算机模拟的无重力影响光线轨迹，科学家终于发现最小块暗物质的存在，其大小比此前预计的要小1万到10万倍。

2、暗物质究竟长啥样？

2020年12月，来自中国科学院国家天文台等国内外的研究人员，利用中国和欧洲的超级计算机，采用一项全新的多重放大模拟技术，首次获得了本宇宙中全尺度暗物质晕的内部结构的清晰图像。

宇宙中约22%的物质成分是暗物质，其物质属性与组成恒星、行星以及我们人类世界的普通物质截然不同。

这些由负性物质构成的暗物质受引力影响而塌缩，形成的球形结构体被称为暗物质晕。物质的气体通过冷却，聚集于球体中心，从而形成璀璨的恒星、星系以及整个光明的世界。

研究发现，不论是宇宙中最大质量的暗物质晕，包含数百个亮星系的巨型星系团，其质量大约是太阳的百万亿倍，或是小质量的暗物质晕，都具有极为相似的内部结构，即中心致密，往外逐渐稀疏，而大量的更小的暗物质团块在相距球心较外围的球体空间环绕。

3、暗物质消失之谜

2021年1月，由澳大利亚领导的科学家团队表示，他们测量了宇宙不同区域的六个不同的星系核发出的“快速无线电爆发”，一种强烈而短暂的闪光，穿过星系之间的空旷地带，最后到达地球。

测量中他们发现，快速无线电脉冲在穿过完全的空旷空间时，其所有波长都以相同的速度传播，但当穿过有“暗礁”的空旷空间时，一些波长会减慢，就像光线穿过棱镜时被分散为彩虹一样。

他们由此发现了宇宙中看不见的物质，隐藏在星系间寒冷而分散的负性物质气体“暗礁”。通过测量喷发起源到地球的距离，以及到达地球时的扩散程度，他们能够计算出星系之间有多少暗物质及其位置。研究结果发表在顶级科学期刊《自然》上。

研究人员称，“我们发现的是宇宙的大气层，这是星系生存的生态系统，通过了解它的精确结构，天文学家将能够更好地了解星系是如何诞生的，以及它们死亡时发生了什么。”

二、人类首次通过激光操纵反氢原子

2021年4月1日，反氢原子激光物理机构（Antihydrogen Laser Physics Apparatus，ALPHA）宣布通过激光冷却的方式，首次将反氢原子冷却到接近绝对零度，论文被选为《自然》杂志封面。

激光冷却是40年前提出的一种冷却原子的方法，可以通过特殊调制的激光不断消耗原子动量，以达到冷却原子的目的，而此次试验是首次将该技术应用到反物质上。反物质与正常物质相遇后可能会直接湮灭，难以进行细致研究，而将反物质粒子冷却到接近绝对零度后，可以对反物质施加更精细的操作，更详细地研究反物质原子的性质。

1、反物质与正物质的区分

宇宙万物都是由四种二重纠缠态的矛盾轻子和四种矛盾重子构成的，并在微观原子内部受8种基本矛盾粒子的支配，在宏观螺旋星系内受16种携带引力、电磁力的矛盾场子的支配。依据原子核所携带能量的正负性质,将对立统一的物质分为物质、负性物质和中性物质。其实物质、负性物质和中性物质都是电中性的。这是物质的“一分为三”的划分。也可依据“肯定中立律”，将物质“一分为二”为正反物质。其中，正物质等同正常物质加中性物质，而反物质则等同负性物质，这也是目前“反物质”的通行用法，比如将负氢原子称为反氢原子。

2、最简单的三种物质原子

1）正物质：氢原子（参见表7—12）

氢原子，具体而言，是由一个质子构成正能原子核，形成一个负电子围绕正能原子核旋转的氢原子，共有5对正反夸克，电中性。

2）中性物质：中氢原子（参见表7—13）

中氢原子是由正常物质原子塌缩简并形成的。具体而言，是由一个中子构成中性原子核，形成一个中微子围绕中性原子核旋转的中氢原子，共有5对正反夸克，电中性。

3）负性物质：反氢原子（参见表7—14）

反氢原子，具体而言，是由一个反质子构成负能原子核，形成一个正电子围绕负能原子核旋转的反氢原子，共有5对正反夸克，电中性。

不难发现，氢原子、中氢原子和反氢原子等三种最简单的物质原子，构成其内部结构配对子和关系子的正反夸克总数是相同的，皆为5对正反夸克，量子数之和零守恒。在特定的条件下，三者之间是可以等同相变的。也因此断定：物质恒星衰亡时演变为中子星或坍塌为黑洞（黑星），只不过是三种物质之间的相变而已。

三、反物质“反氦”的衰变

1、反物质“反氦”的衰变

2021年3月，阿尔法磁谱仪（AMS-02）已初步探测到了一些宇宙线反氦事件。这类事件长期以来一直被认为是新物理学的确凿证据，因为天体所产生的反氦预计可以忽略不计。然而，反物质引起的反氦通量预计也会低于电流灵敏度，特别是考虑到现有的反质子约束。

发表于期刊PRL上的这篇论文里，作者证明了一个以前被忽略的标准模型过程，通过重子的位移顶点衰变产生的反氦，可以显著提高反物质诱导的反氦通量。这一过程可以完全控制高能反氦核的产生，使AMS-02事件的可探测率提高2个数量级。

2、反氦原子的组成（参见表7—15）

反氦原子是由立面“正电子”、对面“反质子”和中介面“反中子”构成的“三位一体”，并通过“否定中对律”简并为矛盾统一体，阳面为“正电子”，阴面为“反质子”加“反中子”简并成的负能“原子核”，形成正电子围绕负能原子核旋转的负性物质元素。

具体而言，是由2个反质子和2个反中子构成负能原子核，形成2个正电子围绕原子核旋转的反氦元素，共有16对正反夸克，电中性。

四、反物质也遵循每层正电子不超过8个吗？

亚原子粒子在8种离散能态之间的变化称为量子跃迁。2021年1月的研究表明，虽然从基态到激发态的跃迁过程十分复杂，但也是可以被监测的。这项新研究发表在《物理评论研究》上。

研究人员在耶鲁大学实施了这项实验，他们通过一种干扰度最小的装置来监测量子跃迁进程。比如每一次跃迁到回落都发生在两个能态之间，电子所释放的光子发出“咔哒”声，被监测设备所捕捉。揭示了电子向高能态跃迁之前会有一个停顿，表明光子未被电子吸收、跃迁尚未发生。研究人员对量子跃迁从电子低能基态开始，到跃迁至电子高能激发态的全过程进行了逐步回溯建模。

具体而言，耶鲁大学进行的研究首次揭示了量子跃迁的微妙行为——系统从基态到激发态的跃迁能被预测，表明量子世界是可以预测的。这在此前曾被认为是不可能的。实验表明，量子跃迁整体路径是随机和离散的。然而，在更精密的时间尺度上，每一步跃迁都是连续而逐步开展的。

1、量子跃迁的8种离散能态

为什么量子力学认为量子场内的变化不可预测且是瞬时的呢？这是因为，建立在形式逻辑公理体系之上的自然科学，无视矛盾及其基本形态的自然存在所造成的，更何况矛盾的基本形态最多有8种，包含四种不矛盾的形态在内。而建立在形式逻辑公理体系之上的自然科学，用数学方法描述物理现象时，将自然现象中的矛盾形态排斥在外，不仅不完备，还要一直受到悖论的困扰。

其实，由大一统时空分形的自相似性定律可知，肉眼可见的宏观世界和微观量子场中的原子都以相类同的方式运作。在最基本的层面上，都存在8种基本形态，所不同的是，8种基本矛盾形态内部正反两方面之间的相互转化，时空间隔有长有短而已。

宏观层面上是集体行为，转化过程中的时空间隔肉眼可见；但在微观世界里，“量子跃迁”是瞬时完成的，现有技术难以直接观测而已。

近年来，由于技术的进步，物理学家能在精密设计的实验设备中观察这个过程。这项研究显示，量子跃迁的过程是可以被预测的，且开始后可以被阻断。这一发现颠覆了传统的量子跃迁观念。

单就负性物质而言，它与正物质是镜像对称的。比如由负电子和正质子构成的氢原子，与由正电子和反质子构成的负氢原子，就是最简单的正、负性物质元素，是正负镜像对称的。

1）正物质热核聚变释放光和热

正物质依据“否定中立律”简并而成，处在负能向心引力场中，能级里低外高，负电子由对立子依据“否定中对律”简并而成，包含一个光子。正物质星云，受引力场的挤压发生热核反应，核聚变释放热量和光子。热能来自于核子之间的强核力的束缚能；所释放的光子是由负电子受引力挤压回迁低能态释放出的。因为发光发热，所以可见，是明亮的物质。

2）负性物质冷核聚变吸收光和热

负性物质依据“否定中对律”简并而成，处在正能发散反引力场中，能级里高外低，正电子由对立子依据“否定中对律”简并而成，不包含光子。负性物质团块，受反引力场的膨胀而发生冷核简并反应，简并核聚变吸收热量和光子，以产生更强的收缩力抵抗反引力的膨胀，维持存活。因为吸光吸热，所以不可见，是冷暗的物质。

2、负性物质也遵循外层电子最多不超过8个吗？

既然负性物质与正物质是镜像对称的，正、负性物质都遵循外层正、负电子最多不超过8个，即都存在8种完备性的离散能态。

1）正物质8种完备离散能态，里低外高（-5/2～5/2）

2）负性物质8种完备离散能态，里高外低（5/2～ -5/2）

相比较而言，处在引力场中的正物质原子，8种完备性的离散能态是由里向外、里低外高分布的，基态在最里层，激发态在最外层。

而处在反引力场或黑洞“内核”中的负性物质原子，8种完备性的离散能态正好相对，由外向里、里高外低分布的，基态在最外层，激发态在最里层。所以说，负性物质不仅不发光发热，还要依靠吸收光热完成冷核聚变来维持存活。