宇宙中的正、负电荷数量居然不一样多!

电在世界上几乎无处不在,我们刚开始接触物理的时候就学过,丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,毛皮摩擦过的橡胶棒带负电。这些电来自于组成物质的基本粒子,质子带正电,而电子带负电。原子中质子所带正电荷和电子的负电荷是相互抵消的,所以一般物体整体上不显电性。但摩擦之后,电子会从一个物体跑到另一个物体,使得两者一个带正电一个带负电。

在我们身边,正电荷和负电荷基本是平衡的,可如果把范围扩大,例如扩大到整个地球甚至整个宇宙,负电荷和正电荷加起来是不是也正好抵消呢?

正反物质的平衡

如果宇宙中反物质和正物质正好一样多,那问题就简单多了。宇宙中每种粒子都有其反粒子,质量和其相同,电性则恰好相反。例如反质子带的就是负电,而正电子则是带正电。如果宇宙正如物理学家所喜爱的那样对称,正反粒子是一样多的,那么显然正负电荷抵消,整个宇宙是电中性的。

然而现实常常不是那么圆满,观测证据显示,我们这个宇宙中反物质就是要比正物质少得多。粒子和其对应的反物质粒子相遇的时候会发生湮灭,两个粒子完全消失,转化为纯粹的能量,以伽玛射线的形式释放出来。我们周围的宇宙空间显然是以普通物质为主的,如果遥远的宇宙中有一块区域是反物质组成的,那么反物质和普通物质交界的区域就应该会不断有粒子发生湮灭,产生的光子应该可以观测到。

天文学家经过多年努力,也没有看到这样的伽玛射线。既然宇宙中没有那么多反物质,我们就不能指望它们抵消掉正物质的电荷了,宇宙也就不是天然电中性了。到底整个宇宙带什么电,还需要分析一下宇宙中各种物质都带什么电荷。

可以无视的暗物质

现在我们知道,宇宙中的物质主要是成分尚且不明的暗物质,普通的原子分子这类物质所占比例很小。如果暗物质带电,那么对整个宇宙的电性必然有很大影响。不过,暗物质之所以叫做“暗”物质,就是它们根本不参与电磁力作用,不会发光,这样的物质当然不可能带有电荷。

所以要考虑宇宙带什么电,只要考虑暗物质之外的普通物质带什么电就可以了。如前面所说,组成行星之类天体的原子是电中性的,原子核中质子所带正电荷和核外电子所带负电荷正好抵消。至于构成恒星的炽热气体,由于高温,电子已经脱离了原子核,不过电子带的负电荷合起来和原子核带的正电荷依然是相等的。

科学家觉得,只靠这些分析,这还是不足以说明整个宇宙范围内正负电荷数量相当。保不齐宇宙中哪个偏僻角落的星云中含的电子多出来一些,导致其带上了负电。看来只靠推理恐怕难以得到一个有意义的结论,研究者们想到,如果统计一下从宇宙中来的带电粒子是带正电的多还是带负电的多,不就可以反映出宇宙的电性了么?

月球实验场

要进行这样的实验,地球不是一个适合的场所。科学家们想到了利用月球作为实验场地,月球既没有大气也没有磁场,所以外来的带电粒子它都是照单全收,不会拒之门外。平时这些带电粒子由两部分组成,一部分是来自于太阳的太阳风,另一部分则是来自于外太空的宇宙射线。不过,当地球运行到太阳与月球之间的时候,月球会躲进地球磁场里面,撑起了这把保护伞,太阳风就吹不到月球上了。但此时宇宙射线依然可以抵达月球,这时候落到月球上的带电粒子,就只是宇宙射线带来的。而这些来自太空深处的粒子,应该也可以反映宇宙范围的电荷成分。

结合阿波罗登月计划和其他探测器得到的结果,科学家们惊讶地发现,来自宇宙深处的正电荷竟然要更多一些,也就意味着宇宙中正负电荷不是平衡的,正电荷要多于负电荷。不过,现在的实验精度有限,要真正确定宇宙带什么电,还有待进一步观测。