关于暗物质和暗能量形成机制的探讨

         张伟（吉林省电力勘测设计院，吉林 长春 130022）

摘要：本文从物质能角度，对暗物质和暗能量的形成机制进行了分析，得出了暗物质和暗能量是正、反物质反应产物的结论。认为在正、反物质反应过程中，只有正、反物质所具有的相反性质的能量（质量）发生了湮灭，释放出推动宇宙膨胀的暗能量；而正、反物质相同部分的能量（质量），在反应后则以新的物质形态留存下来，形成暗物质。

关键词：物质  反物质  反应  暗物质  暗能量

Abstract: The article analyzed the formation mechanism of dark matter and dark energy from the point of matter energy, and the conclusion is drawn that the dark matter and dark energy are reaction products of matter and anti-matter. In this article, it is believed that only the opposite energy (mass) of the matter and anti-matter is annihilated during the reaction of the matter and anti-matter, releasing the dark energy that promotes the expansion of the universe; and the energy (mass) of the same part of the matter and the anti-matter is retained in the new material formed after the reaction into dark matter.

Key words: matter  antimatter  reaction  dark matter  dark energy

目前，世界上的科技强国都在投入大量的人力、物力和财力研究暗物质和暗能量。虽然暗物质和暗能量的存在已经得到了广泛的认同，但暗物质的非重子性表明，它不可能由构成我们地球和星系的任何一种已知的物质组成。按照各国科学家当前的研究成果，对暗物质和暗能量的性质比较一致的结论是：1、暗物质不带电荷，因而不参与电磁活动；2、暗物质是透明的，用目前掌握的知识和技术无法探测；3、暗物质在宇宙尺度上稳定，具有质量并形成引力场，对周围的物质产生引力；4、暗物质由非重子构成，是自身的反粒子；5、暗物质粒子具有非相对论性特点；6、暗能量也能产生引力作用，但方向与物质引力相反^[1]。

现代观测表明，已知的可见物质仅占宇宙物质总量的约4%，其余的96%则由暗物质（23%）和暗能量（73%）构成^[1]。至今，暗物质和暗能量来自何方？由什么组成？科学界众说纷纭。

本文在现有暗物质和暗能量研究成果的基础上，结合观测结果，由正、反物质反应入手，从一个新的视角，对暗物质和暗能量的形成机制进行了探讨，得出了暗物质和暗能量是正、反物质反应产物的结论。

一、目前人类对物质及能量的认识简述

1、对物质的认识

从19世纪以来，由于量子力学和相对论的发现，以及实验技术的进步，人们对物质的认识不断深化，已经证明原子是组成物质的基本元素，原子又可再分为电子、质子和中子等基本粒子。随着理论研究的深入，人们发现，基本粒子还有光子、中微子和各种介子等。所有基本粒子都由夸克组成。基本粒子均具有自旋。物质都具有质量，有人把质量分为机械质量和电磁质量^[2]，认为机械质量与电磁质量之和等于物质的总质量，即：，其中：M为物质的总质量，为机械质量，为电磁质量。根据爱因斯坦的广义相对论，物质的存在导致其周围的时间和空间发生弯曲，产生引力场，使物质相互吸引。目前，在可观测的范围内，物质或由原子组成，如地球上的各种物质；或由上述基本粒子构成，如宇宙中的中子星等。

2、对反物质的认识

自从英国物理学家狄拉克1930年第一次提出反电子的存在后，理论预言所有的基本粒子都具有与自身相应的反粒子。与正粒子相比，反粒子所带的电荷极性或其他某种量子数相反，其余构造完全相同。如：电子带负电荷，反电子则带有正电荷，其余完全相同；质子带有正电荷，反质子则带有负电荷，其余完全相同；中子虽然不显电性，但具有磁矩，中子和反中子磁矩相反，其余全部相同，等等。这些都已得到实验的验证。与物质一样，反粒子也能组成反原子，构成反物质，并具有质量。有科学家认为，反物质和物质一样，也能产生引力场。按照目前对反物质的认识和质能公式，反物质的另一个重要性质是：如果等量的正、反物质相遇，将发生湮灭现象，放出能量，质量完全转化成能量，并遵守爱因斯坦的质能公式。

在人类可观测的范围内，正物质量远大于反物质量。

3、对电磁现象的认识

从目前人们对电荷的认识可知，自然界中存在两种电荷，分别带有正电性和负电性，电荷之间产生作用力，相同极性的电荷互相排斥，不同极性的电荷互相吸引。电荷的数量守恒，不能自生自灭。根据麦克斯韦方程，电荷产生电场，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。

4、对物质能的认识

按照已知的理论和实践，物质能来自以下几个方面：强相互作用，也就是核能，如已被人类利用的核裂变和核聚变；弱相互作用，亦为核能，如衰变已为实验所证实；电磁作用产生的电磁能；物质引力场产生的引力能。

   在物理学发展史上，曾经发现过两个质能公式，一个是爱因斯坦的，其中：E 为能量，C为光速；另一个是电磁质能公式^[2]。这两个质能公式之间为什么存在差异，至今没有得到满意的解释。

二、关于物质能的讨论

按照目前的质能转换理论，正、反物质相遇时，将发生湮灭，质量完全转化为能量，物质将不复存在。那么，在正、反物质湮灭过程中，物质真的全部消失了么？

首先，我们分析正、反电子和正、反质子的特性。它们除了所带电荷的极性相反之外，其他全部相同。在正常情况下，因为电子在原子核外高速运转，电子所带电荷与质子所带的极性相反的电荷永远也不能相遇，在原子范围内电力保持平衡，没有能量交换发生。

目前，人们对物质原子核内强相互作用的认识是：核内基本粒子之间存在着一种短程核力，既排斥又吸引。当各粒子之间的距离小到一定程度时，粒子之间的作用表现为斥力，并随着粒子之间的距离的进一步缩小急剧增大，迫使各粒子不能再靠近。当各粒子之间的距离拉开到一定程度时，各粒子之间的引力大幅度增大，使各粒子趋于靠拢。当这两种力相互平衡时，原子核处于稳定状态，这一作用机制，目前尚不清楚。考虑到物质原子核内的质子带有正电荷，因此，质子之间还存在电斥力，这种电斥力与核内各力一起参与核力的平衡。反物质原子核内作用力是否与物质一样，尚不清楚。为了便于讨论，这里假定与物质相同。

由于某种原因，当物质原子核结构发生变化，比如原子核发生分裂，也就是核裂变，从核能角度看，原子核裂变后，由于电斥力减弱，新原子核内的核力得到加强，核能得以释放。从电能角度看，原子核分裂，此时核内电荷克服核力做功，释放出电能。这种能量的转换，是由原子核结构的变化引起的，其结果是物质能中的一部分电磁能量得以释放。

与原子核结构发生变化释放电磁能量相似，我们假定，正、反基本粒子反应时，仅是它们所具有的不同性质的电磁能量（质量）发生了湮灭，释放出电磁能量，而性质相同的能量（质量）仍然存在。如果这种推断成立，将为暗物质和暗能量的研究开辟新的途径。

三、关于暗物质和暗能量形成机制的讨论

在纯正物质和纯反物质原子中，在正常情况下，由于电子和质子没有机会接触，那么，它们所带的电极性相反的电荷不可能相遇，因此，不存在正、负电荷湮灭的机会。而当正、反物质相遇时，这一机制将被打破，正、反电子，正、反质子和正、反中子相互靠近并发生反应，电子和质子中的不同极性的电荷直接发生湮灭，正、反中子相反的磁矩相互抵消，结果是这些正、反粒子的电磁性质全部消失，反应生成的新物质将不再显示电磁性质。在反应中由于电磁力做功，大量的电磁能量释放出来。

由以上假定可以看出，正、反物质的反应，并不是物质的湮灭，而更可能是正、反物质所具有的相反性质的能量（质量）的湮灭，比如:正、负电荷，正、反磁矩等。因此，我们可以进一步推测：在正、反物质反应过程中，正、反物质所具有的相反性质的能量（质量）相互湮灭而释放能量，同时产生一种新的物质，其质量小于反应前正、反物质总质量，根据爱因斯坦的质能公式，减少的那部分质量等价于反应中释放的能量。

综上所述，在正、反物质反应过程中，正、反物质中所具有的电磁质量全部转化为能量，以电磁辐射的形式放射出去，一直弥散在宇宙之中，是宇宙加速膨胀的主要力量，这有可能就是我们正在寻找的暗能量。同时，机械质量形成一种新的物质结构，这种物质可能以基本粒子或其某种组合的形式存在，一直留存在宇宙中，主要特点是：不带电荷，没有磁矩，因此不显电磁性质，不参与电磁活动，这有可能就是暗物质。这一反应过程类似于煤炭的燃烧，放出热量，形成灰渣。

从物质能构成看，如果在正、反物质的反应过程中电磁能转化成了暗能量，而暗物质仍然具有引力性质，那么核力，也就是强相互作用和弱相互作用对应的核能就转化成了暗物质。

目前，在实验室中，科学家已经见证了正、反基本粒子的反应过程。人们之所以认为在反应中正、反基本粒子的质量全部转化为能量，是因为目前我们掌握的技术和使用的设备，只能检测到正、反基本粒子反应的产物之一电磁辐射，而检测不到反应的另一个产物暗物质。所以，在实验中，我们只感知到电磁辐射的存在，而没有发现丢失了的暗物质。由此可以推断，暗物质可能大量存在于我们的周围，而我们却毫无察觉！

进一步讲，正、反物质的反应过程是在极短时间内完成的，而某些释放能量的核反应，比如恒星和核电站，则是正、反物质的反应的阶段性慢速过程，因此，在核反应过程中也应不断地产生暗物质和暗能量。

    从最近英国科学家进行的能量转化成物质的实验表明，质能转化是可逆的，能量也可以转化成物质。那么，在两个光子转化成一对正、负电子的过程中，似乎还应当吸收了一对暗物质基本粒子才能得以实现。

四、对宇宙起源的推测

按照上述暗物质和暗能量形成机制，可以进一步推测宇宙的形成过程。在宇宙形成初期，由于某种未知的原因，宇宙中充满了正、反基本粒子，数量大体相当。伴随着正、反基本粒子的剧烈反应，一方面，释放出大量的电磁辐射能量，把宇宙加热到极高温度的炽热状态，推动宇宙加速膨胀。随着宇宙的膨胀，宇宙的能量密度和温度不断下降，反应释放的能量弥散在宇宙之中，变成了暗能量。另一方面，反应生成的暗物质，和物质如影随形，至今一直保持不变。宇宙总质量中剩余的一小部分未参与正、反物质反应的正、反基本粒子，则以可见物质的形式保留下来，构成现在我们可以感知的宇宙中的一切物质和星系。如果在宇宙中正、反物质数量相等，那么，在宇宙的某个地方，还应存在与可见星系等量的反基本粒子，它们或许已经形成了反物质星系。

我们所在的宇宙中存在着大量的恒星，在它们内部持续发生着核聚变反应，不断的消耗着宇宙中的物质，产生暗物质和暗能量，由此推测，宇宙中的暗物质和暗能量将会不断增加。

五、结论

1、暗物质和暗能量来源于物质，是物质去电磁化的产物。正、反物质反应和释放能量的核反应是物质去电磁化的主要途径。暗能量由正、反物质所具有的电磁质量转化而来，以电磁辐射的形式放射出去。暗物质则由其余的物质质量转化而来，一直留存在宇宙中，这部分物质质量可能就是物质的机械质量。

2、正、反物质发生反应时，物质并没有全部湮灭，而是正、反物质中所具有的相反性质的能量发生了湮灭，使反应后的产物不再显示不同的能量性质，如：电磁性质。因此，正、反物质的反应可以认为是一种去异求同的过程。

3、由于暗物质和暗能量源于物质，故宇宙中的暗物质与我们可以感知的可见物质如影随形，可见物质多的地方通常暗物质也较多。这已被观测所验证。

    4、根据上述暗物质和暗能量形成机制，可以进一步推测宇宙的形成过程。在宇宙形成初期，宇宙中充满了正、反基本粒子，数量大体相当。伴随着正、反基本粒子的不断反应，释放出大量的暗能量，推动宇宙加速膨胀；同时形成暗物质，在宇宙中一直保持不变。

5、如果在宇宙中正、反基本粒子数量相等，那么，在宇宙的某个地方，还应存在着与可见物质星系等量的反基本粒子，它们或许已经形成了可见的反物质星系。

6、从目前宇宙发展的过程看，大量的恒星中正在进行着核反应，不断地产生暗物质和暗能量，因此可以推断，随着时间的推移，宇宙中的暗物质和暗能量将会与日俱增。

7、通过对正、反物质反应和核反应的过程和结果进行测量、分析和计算，可能找到暗物质和暗能量的踪迹。

    8、从最近英国科学家进行的能量转化成物质的实验表明，质能转化是可逆的，能量也可以转化成物质。在能量转化成物质的过程中，还应当吸收暗物质基本粒子才能产生物质。

   [参考文献]

    [1]蔡荣根.周宇峰.暗物质与暗能量研究新进展.中国基础科学.2010(3).

    [2]李洪芳.王子辅，钟万蘅译.费恩曼物理学讲义（第二卷）P383、P384.2005年6月第一版，上海科学技术出版社.