反物質(zhì)是一種假想的物質(zhì)形式，在粒子物理學(xué)里，反物質(zhì)是反粒子概念的延伸，反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的，如同普通物質(zhì)是由普通粒子所構(gòu)成的。物質(zhì)與反物質(zhì)的結(jié)合，會如同粒子與反粒子結(jié)合一般，導(dǎo)致兩者湮滅，且因而釋放出高能光子或伽瑪射線。1932年由美國物理學(xué)家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在。隨后又發(fā)現(xiàn)了負(fù)質(zhì)子和自旋方向相反的反中子。英國《自然》雜志網(wǎng)站2010年11月17日發(fā)布報告，歐洲研究人員在科學(xué)史上首次成功“抓住”微量反物質(zhì)。
概念
自然界紛呈多樣的宏觀物體還原到微觀本源，它們都是由質(zhì)子、中子和電子所組成的。這些粒子因而被稱為基本粒子，意指它們是構(gòu)造世上萬物的基本磚塊，事實上基本粒子世界并沒有這么簡單。在30年代初，就有人發(fā)現(xiàn)了帶正電的電子，這是人們認(rèn)識反物質(zhì)的第一步。到了50年代，隨著反質(zhì)子和反中子的發(fā)現(xiàn)，人們開始明確地意識到，任何基本粒子都在自然界中有相應(yīng)的反粒子存在。
正電子、負(fù)質(zhì)子都是反粒子，它們跟通常所說的電子、質(zhì)子相比較，質(zhì)量相等但電性相反?？茖W(xué)家設(shè)想在宇宙中可能存在完全由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)，也就是反物質(zhì)。
電子和反電子的質(zhì)量相同，但有相反的電荷。質(zhì)子與反質(zhì)子也是這樣。
那么中子與反中子的性質(zhì)有什么差別？其實粒子實驗已證實，粒子與反粒子不僅電荷相反，其他一切可以相反的性質(zhì)也都相反。這里我們討論一下重子數(shù)的概念。
質(zhì)子與中子被統(tǒng)稱為核子。人們從核現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子能轉(zhuǎn)化為中子，中子也能轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，但在轉(zhuǎn)化前后，系統(tǒng)的總核子數(shù)是不變的。50年代起的粒子實驗表明，還有很多種比核子重的粒子，它們與核子也屬同一類，這類粒子于是被改稱為重子，核子僅是其最輕的代表，一般的規(guī)律是：當(dāng)粒子通過相互作用而發(fā)生轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)中的重子個數(shù)是不會改變的。
由于重子數(shù)的守恒性，兩個質(zhì)子相碰是不會產(chǎn)生一個包含三個重子的系統(tǒng)的，那么反核子應(yīng)當(dāng)怎么產(chǎn)生？實驗表明，反核子總是在碰撞中與核子成對地產(chǎn)生的。例如
p+p → N+N+N+N'+若干 π介子
其中N代表質(zhì)子或中子，N'代表反質(zhì)子或反中子。反核子一旦產(chǎn)生，它常很快與周圍的某個核子再相碰而成對地湮滅。例如
N+N' → 若干 π介子
按照這種說法推論，在宇宙的某個地方，一定存在著反物質(zhì)世界。如果反物質(zhì)世界真的存在的話，那么，它只有不與物質(zhì)會合才能存在。可物質(zhì)與反物質(zhì)怎樣才能不會合？反物質(zhì)在宇宙何方？這還是待解之迷。
對于比核子更重的重子，情況完全一樣。反重子也總是與重子成對地產(chǎn)生，成對地湮滅的。這些經(jīng)驗使人們認(rèn)識到，重子數(shù)的守恒規(guī)律需要重新認(rèn)識。
現(xiàn)在人們把重子數(shù)B當(dāng)作描述粒子性質(zhì)的一種電荷。正反重子不僅有相反的電荷，而且也有相反的重子數(shù)B。令任一個重子都具有重子數(shù)B=+1，則任一個反重子都具有B=-1。介子、輕子和規(guī)范子等非重子不具有重子數(shù)，即它們有B=0。重子數(shù)的守恒規(guī)律可表述為：任何粒子反應(yīng)都不會改變系統(tǒng)的總重子數(shù)B。這表述既反映了不涉及反粒子時的重子個數(shù)不變，也概括了反粒子與粒子的成對產(chǎn)生和湮滅?，F(xiàn)在我們?nèi)菀桌斫庵凶雍头粗凶拥膮^(qū)別了，它們具有相反的重子數(shù)B，因此反中子能與核子相碰導(dǎo)致湮滅，而中子則不能。
此外，人們還類似地發(fā)現(xiàn)了輕子數(shù)的守恒性。中微子雖不帶電，也不具有重子數(shù)，但它與反中微子具有相反的輕子數(shù)。按輕子數(shù)的守恒性，中微子與反中微子的物理行為也是很不一樣的，實驗還表明，介子數(shù)和規(guī)范粒子數(shù)是不具有守恒性的。這樣我們看到，電荷只是粒子的一種屬性，另外還有用重子數(shù)和輕子數(shù)等物理量刻畫的其他屬性。正反粒子的這些屬性也都是相反的。
1928年，英國青年物理學(xué)家狄拉克從理論上首次論證了正電子的存在。這種正電子除了電性和電子相反外，一切性質(zhì)和電子相同。1932年，美國物理學(xué)家安德遜在實驗室中發(fā)現(xiàn)了狄拉克所預(yù)言的正電子。1955年，美國物理學(xué)家西格雷等人用人工的方法獲得了反質(zhì)子。此后人們逐漸認(rèn)識到，不僅質(zhì)子和電子，所有的微觀粒子都有各自的反粒子。
這一系列科學(xué)成果使人們?nèi)諠u接近反物質(zhì)世界。然而問題并不那么簡單。首先，在地球上很難發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。因為粒子與反粒子碰到一起，就像冰塊遇上火球一樣，或者一起消失，或者轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌Ｗ印Ｋ栽诘厍蛏希次镔|(zhì)一旦碰上其它物質(zhì)就會被兼并掉。其次，制造反物質(zhì)相當(dāng)困難而且耗費(fèi)巨大，需要如SSC或LHC之類的高科技儀器，并且即使制造出反物質(zhì)，也難以保存，因為地球上萬物都由物質(zhì)構(gòu)成。
我們周圍的宏觀物質(zhì)主要由重子數(shù)為正的質(zhì)子和中子所組成。因此，這樣的物質(zhì)被稱為正物質(zhì)，由他們的反粒子組成的物質(zhì)相應(yīng)地叫反物質(zhì)。從粒子物理的角度講，正粒子和反粒子的性質(zhì)幾乎完全對稱，那么為什么自然界有大量的正物質(zhì)，而卻幾乎沒有反物質(zhì)呢？這正是我們現(xiàn)在要討論的問題。
反物質(zhì)就是正常物質(zhì)的鏡像，正常原子由帶正電荷的原子核構(gòu)成，核外則是帶負(fù)電荷的電子。但是，反物質(zhì)的構(gòu)成卻完全相反，它們擁有帶正電荷的電子和帶負(fù)電荷的原子核。從根本上說，反物質(zhì)就是物質(zhì)的一種倒轉(zhuǎn)的表現(xiàn)形式。愛因斯坦曾經(jīng)根據(jù)相對論預(yù)言過反物質(zhì)的存在：“對于一個質(zhì)量為m，所帶電荷為e的物質(zhì)，一定存在一個質(zhì)量為m，所帶電荷為-e的物質(zhì)（即反物質(zhì)）”。按照物理學(xué)家假想，宇宙誕生之初曾經(jīng)產(chǎn)生等量的物質(zhì)與反物質(zhì)，而兩者一旦接觸便會相互湮滅抵消，發(fā)生爆炸并產(chǎn)生巨大能量。然而，出于某種原因，當(dāng)今世界主要由物質(zhì)構(gòu)成，反物質(zhì)似乎壓根不存在于自然界。正反物質(zhì)的不對稱疑難，是物理學(xué)界所面臨的一大挑戰(zhàn)。
特點(diǎn)
在多數(shù)理論家看來，宇宙中正反物質(zhì)的大尺度分離是不可能發(fā)生的。因此，三千萬光年的范圍內(nèi)沒有反物質(zhì)天體，已說明宇宙中大塊的反物質(zhì)是不存在的。但是理論家也相信，極早期宇宙中正反物質(zhì)應(yīng)當(dāng)?shù)攘?。這樣，需要做的事是尋找物理機(jī)理，來說明宇宙如何才能從正反物質(zhì)等量的狀態(tài)過渡到正物質(zhì)為主的狀態(tài)。這里，理論家也遇到了非常尖銳的困難。
按照大爆炸理論，甚早期宇宙介質(zhì)的溫度非常高。粒子間的熱碰撞會成對地產(chǎn)生任何基本粒子。當(dāng)粒子的成對湮滅與成對產(chǎn)生達(dá)到統(tǒng)計平衡，宇宙介質(zhì)就是一切基本粒子構(gòu)成的混合氣體，且任一種穩(wěn)定或不穩(wěn)定的粒子都有接近相等的數(shù)密度。至于重子和反重子的數(shù)目是否嚴(yán)格相等，這不是由物理規(guī)律決定，而是由初條件決定的。
在理論家看來，在最初的宇宙中正反粒子應(yīng)當(dāng)?shù)攘坎抛匀弧５且子诳闯?，若這想法是對的，重子的守恒性立即會給出與事實明顯不符的推論。當(dāng)宇宙的膨脹使氣體溫度降至10 ^13 K以下，由于粒子的熱動能已不夠，熱碰撞成對產(chǎn)生重子已不可能。于是湮滅過程將使正反重子的數(shù)目同時迅速下降。最終，宇宙中將既沒有重子，也沒有反重子。這顯然不是真實宇宙的情景。事實上，今天宇宙中光子的數(shù)目最多．重子的數(shù)目是它的十萬萬分之一左右，反重子的數(shù)目很可能還要低許多量級。如果重子數(shù)B的守恒性是嚴(yán)格的物理規(guī)律，要宇宙從正反重子等量的狀態(tài)演化成今天這樣的狀態(tài)是不可能的。然后，理論家又不能相信在原始的宇宙中重子就會多于反重子，那么問題的出路在哪兒？
重子數(shù)B的守恒性肯定是嚴(yán)格成立的物理規(guī)律嗎？至今難以計數(shù)的粒子實驗確實沒有發(fā)現(xiàn)過一個破壞重子數(shù)守恒的事例，但是這并不說明它一定是嚴(yán)格的規(guī)律?；仡櫼幌禄瘜W(xué)的發(fā)展可作借鑒?；瘜W(xué)反應(yīng)是元素的重新組合。經(jīng)驗表明，在重組合的前后，每一種元素的原子數(shù)是守恒的，無數(shù)的化學(xué)實踐表明沒有例外。想把汞變金的煉金術(shù)的失敗，更從反面提供了證明。但是有了核反應(yīng)的知識后人們已清楚知道，汞變成金完全可能，關(guān)鍵在于要有高的能量讓原子核發(fā)生變化。化學(xué)反應(yīng)是在粒子能量小于1eV的條件下進(jìn)行的，這條件下原子核不能相互接觸，核反應(yīng)就不能發(fā)生。若過程中粒子的能量超過1MeV，原子核之間就能充分接近，那么原子核就能變化了，原子數(shù)的守恒性也就隨之破壞了。由此看來，原子數(shù)在化學(xué)過程中的守恒不是偶然的，但是它僅是低能下的唯象規(guī)律，而不是普遍成立的自然規(guī)律。借鑒同樣的道理，重子數(shù)的守恒性也可能僅是一定能量范圍的唯象規(guī)律，而不是普遍成立的。當(dāng)粒子的能量更高，重子數(shù)的守恒性完全可能會不成立，這正是今天的理論家看到的出路。
從70年代中期起，粒子物理中由弱電統(tǒng)一理論的成功，掀起了研究相互作用大統(tǒng)一的潮流。按這樣的理論，高能下發(fā)生破壞重子數(shù)守恒的過程是自然的事，粒子物理中的這一潮流與宇宙學(xué)解決正反物質(zhì)不對稱疑難的需要不謀而合了。于是這疑難問題作為粒子物理和宇宙學(xué)的交叉領(lǐng)域而得到了很多進(jìn)展。人們已清楚，要從正反物質(zhì)等量的早期宇宙演化出今天正物質(zhì)為主的狀態(tài)，除了重子數(shù)守恒須可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質(zhì)還必須有適量的差別。由于超高能下的粒子物理規(guī)律至今還沒有被掌握，因此實際上自然界是否確實具備這兩個要素，尚不能回答，人們正在試探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物質(zhì)天體是事實，問題是否能按這思路得到解決也還并不完全肯定。
總之，為徹底揭開宇宙反物質(zhì)之謎，前面還有漫長路要走。人們已能預(yù)料，這問題的解決不僅對認(rèn)識宇宙是重要的，它對物理學(xué)的影響也將是很深刻的。
下面是小說《天使與魔鬼》（丹·布朗著）中提到的一些：
反物質(zhì)是人類目前所知的威力最大的能量源。它能百分之百的效率釋放能量（核裂變的幾率是百分之一點(diǎn)五）。反物質(zhì)不造成污染，也不產(chǎn)生輻射，一小滴反物質(zhì)就可以維持整個紐約城全天的動能。
先別過于樂觀，其中可隱藏著危機(jī)……
反物質(zhì)極不穩(wěn)定，它可以把接觸到的任何東西化為灰燼……連空氣也概莫能外。僅僅一克反物質(zhì)就相當(dāng)于20萬噸當(dāng)量的核炸彈的能量.
當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)接觸，原子最外層的電子因為所帶電荷相反而抵消，原子核中的質(zhì)子也因同樣的原因相互抵消，而反中子因磁性與中子相反而與中子進(jìn)行強(qiáng)烈的碰撞發(fā)出驚人的能量。愛因斯坦曾計算過這種完整的能量釋放比率,跟這種完全的能量釋放相比，核裂變就像劃燃一根安全火柴一樣微不足道。
質(zhì)疑是否存在反物質(zhì)
從哲學(xué)角度來講，這個問題很容易回答。我國古代的太極圖似乎也暗示了它的存在，部分天文學(xué)家也認(rèn)為有存在的可能，但現(xiàn)代天文學(xué)還拿不出令人信服的證據(jù)。否定反物質(zhì)的人很多，美國宇宙學(xué)家施拉姆（Schramm）說：“大多數(shù)理論家的直覺，不存在反物質(zhì)。這意味著如果你找到它，那是一個偉大的發(fā)現(xiàn)，證明這些理論家都是錯誤的。但是最大的可能是，這意味著你找不到它?！?
目前，由丁肇中主持的這項研究已有16個國家的科學(xué)家參與其中，投入的資金更是高達(dá)1000多億美元。許多科學(xué)家表示：只要能發(fā)現(xiàn)宇宙反物質(zhì)的存在，那么這將是當(dāng)之無愧的諾貝爾獎。該探測器已于2005年發(fā)射升空并永久停留在太空，東南大學(xué)還將建立一個數(shù)據(jù)接收分析中心和培訓(xùn)中心作為配套項目。丁肇中認(rèn)為，如果反物質(zhì)確實存在，當(dāng)正物質(zhì)與反物質(zhì)碰撞時可以產(chǎn)生巨大的能量。他現(xiàn)在所主持的“尋找宇宙中的暗物質(zhì)和反物質(zhì)”的研究已進(jìn)行多年，目前已取得一些重要成果?！暗牵瑥倪@一領(lǐng)域發(fā)展的歷史來看，人們要有思想準(zhǔn)備，也許我們會發(fā)現(xiàn)意想不到的東西，與原先想研究的東西毫無關(guān)系?！倍≌刂泻苌髦氐乇硎?。
從拉普拉斯大預(yù)言談起
德科學(xué)家認(rèn)為黑洞撕裂恒星產(chǎn)生反物質(zhì)
天體有巨大的引力，在巨大的引力作用下，會發(fā)生各類反應(yīng)，并發(fā)光發(fā)熱。物極必反，拉普拉斯（Laplace）曾經(jīng)大膽預(yù)言：宇宙中最大的天體有可能是看不見的。當(dāng)引力隨質(zhì)量增大時，天體會變成一個一無所有的區(qū)域，既不發(fā)熱，也不發(fā)光，現(xiàn)在我們稱之為“黑洞”（Black Hole）。因此宇宙更多的是由不可見的暗物質(zhì)或反物質(zhì)組成，我們?nèi)庋酆吞煳膬x器所能“看”到的只是以恒星或以星系形式存在的宇宙結(jié)構(gòu)，這些物質(zhì)只占宇宙總體的10％，90％的物質(zhì)是以暗物質(zhì)或其他結(jié)構(gòu)形式存在。顯而易見，對可見物質(zhì)的巨大引力的存在表明了暗物質(zhì)或反物質(zhì)的存在?？墒俏覀冇霉鉄o法探測到，用紅外線、紫外線和X光都無法探覓到它們的足跡。
同樣的，對應(yīng)著現(xiàn)存的星系結(jié)構(gòu)體系，有由相反的反宇宙結(jié)構(gòu)體系存在嗎？其實早在1898年，一位英國物理學(xué)家就提出：與物質(zhì)存在一樣，有一個鏡像對應(yīng)的反物質(zhì)存在。受當(dāng)時科學(xué)水平和試驗條件的限制，這個反物質(zhì)概念沒有一點(diǎn)事實依據(jù)，因此在宇宙深處存在由反物質(zhì)組成的宇宙恒星云只能屬于純粹意義上的假說。
1997年科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了“銀心反物質(zhì)噴泉”極大地震撼了整個物理學(xué)界，使科學(xué)家們尋找反物質(zhì)的熱情一下子高漲起來。
1998年6月3日，由丁肇中教授發(fā)起的帶有全球意義的尋找宇宙反物質(zhì)事件，使得這一領(lǐng)域一度成為全球科學(xué)家最為關(guān)注的焦點(diǎn)。
是否存在反物質(zhì)天體
粒子實驗已證實，正反粒子的強(qiáng)作用和電磁作用性質(zhì)完全一樣，因此反質(zhì)子和反中子也能結(jié)合成帶負(fù)電的反原子核，反原核和反電子結(jié)合在一起，就能組成反原子。我們的正物質(zhì)世界有多少種原子，相應(yīng)在反物質(zhì)世界中也能有多少種反原子，而且它們在結(jié)構(gòu)上將是完全沒有區(qū)別的，延伸起來講，大量反原子可以構(gòu)成反物質(zhì)的恒星和星系。如果宇宙中正反物質(zhì)為等量，那么這樣的反恒星和反星系就應(yīng)當(dāng)存在。因此這給天文學(xué)家提出了一個深刻的問題：天上有反恒星和反星系嗎？
要由觀測來分辨遠(yuǎn)處星系由物質(zhì)構(gòu)成或反物質(zhì)構(gòu)成并不容易，至今的天文觀測只是接收遠(yuǎn)處天體所放出的光子。原則上，正物質(zhì)天體若輻射光子，那么同樣的反物質(zhì)天體應(yīng)當(dāng)輻射反光子。但是光子是純中性的粒子，因此光子與反光子是同一種粒子。這樣，天文學(xué)家通過可見光、射電、X射線或 γ 射線觀測，原則上無法區(qū)分他的目的物是由物質(zhì)構(gòu)成還是由反物質(zhì)構(gòu)成。恒星和星系除了輻射光子外，它們還輻射中微子。中微子與反中微子很不一樣，如果天文學(xué)家能接收中微子，那么他就能區(qū)分物質(zhì)天體與反物質(zhì)天體。可惜中微子與任何物質(zhì)的相互作用都很微弱，造一個能接收它們的儀器很困難。今天用這辦法來區(qū)分物質(zhì)天體或反物質(zhì)天體還辦不到。那么讓我們問：與我們最鄰近的太陽或月亮?xí)怯煞次镔|(zhì)組成嗎？
月亮是離我們最近的天體，由地面出發(fā)的宇航員已在月球上登陸過。如果月球是由反物質(zhì)組成的，那么在那位宇航員與月球接觸時，湮滅過程早已把他轉(zhuǎn)化為介子了。這是直接證據(jù)，表明月亮是正物質(zhì)天體。至于太陽，那是人類沒有可能登陸的地方。那么怎么才能知道它不是由反物質(zhì)組成的呢？太陽表面的氣體很熱，其中熱運(yùn)動速度較快的原子的速度已超過了太陽表面的逃逸速度，這就是太陽風(fēng)的起因，若太陽是反物質(zhì)恒星，太陽風(fēng)就由反原子組成，它吹到行星上，就會和行星的正原子相湮滅。于是正物質(zhì)組成的行星會逐漸消失掉，這種消失過程沒有發(fā)生，就證明了整個太陽系中沒有反物質(zhì)天體。這樣，如果要存在反物質(zhì)天體，它至少應(yīng)在太陽系之外。
1979年，美國科學(xué)家把一個有60層樓高的巨大氣球放到離地面35公里的高空，氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器，結(jié)果，它在高空獵取了28個反質(zhì)子。這是在地球以外第一次發(fā)現(xiàn)的反物質(zhì)。除此之外，還在星際空間發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)流 把眼光放遠(yuǎn)到整個銀河系，要問的是：在這個由千億個恒星構(gòu)成的系統(tǒng)中，會有一部分是反恒星嗎？今天人們也已能肯定地回答：不會有。我們從地面上能接收到太空中飛行的宇宙射線。觀測統(tǒng)計表明，宇宙射線粒子中反質(zhì)子僅是質(zhì)子的萬分之幾，并且這少量的反質(zhì)子是高能粒子碰撞的次級產(chǎn)物，而不是原始的，此外宇宙射線中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子卻一個也沒有發(fā)現(xiàn)過，這些事實說明原初的宇宙射線是由正物質(zhì)組成的。如果銀河系中有反物質(zhì)恒星，那么宇宙射線粒子將與它碰撞而發(fā)生湮滅。湮滅產(chǎn)生的 π 0 介子將很快衰變而成γ 光子。因此這種湮滅過程是能夠通過γ 射線的觀測來發(fā)現(xiàn)的。正是沒能找到湮滅過程所放出的很有特征性的 γ 光子，使人們知道，銀河系中并沒有反恒星的存在，整個銀河系都是由正物質(zhì)組成的。
我們的宇宙是由大量星系構(gòu)成的。若在遠(yuǎn)處有反物質(zhì)組成的星系，原則上也能用同樣的道理來發(fā)現(xiàn)。星系之間并不是真空，而是彌漫著很稀薄的氣體。因此，若既有正物質(zhì)星系又有反物質(zhì)星系，那么正反物質(zhì)必會相遇，相遇處必會有湮滅過程發(fā)生。人們著意地尋找了相應(yīng)的 γ 射線，而沒有找到過。于是得出結(jié)論：在三千萬光年的范圍內(nèi)不會有巨大的反物質(zhì)星系存在。若在更遠(yuǎn)的地方有這種湮滅發(fā)生，由于它的信號太弱而沒有被發(fā)現(xiàn)是不能排除的。所以上述結(jié)論是今天的觀測能力所能給出的回答。