反物质——一种神奇的物理现象

    反物质就是由反粒子组成的物质。所有的粒子都有反粒子，这些反粒子的特点是其质量、寿命、自旋、同位旋与相应的粒子相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数与之相反。反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子。由反原子构成的物质就是反物质。当你照镜子时，镜中的那个你如果真的存在，并出现在你面前，会怎么样呢？科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜中那个你叫做“反你”。科学家想象很远的地方有个和我们的世界很像的世界，它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。

　　反物质正是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。例如，氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成，反氢原子则与它正好相反，由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子构成。物质和反物质相遇后会湮灭，释放出大量能量。反物质无法在自然界找到，除非是在稍纵即逝的少量存在（例如因放射衰变或宇宙射线等现象）。这是由于反物质若非存在于像物理实验室的人工环境下，则无可避免地随即与自然界的物质发生碰触并湮灭。反粒子和一些稳定的反物质（例如反氢）可以人工制造出极少量，但却不足以达到可对这些物质验证其理论性的程度。

　　在科学与科幻领域，都有很大的疑问关于为何所见的宇宙很明显地几乎充满了物质、是否有其他地方几乎充满了反物质，以及是否能够驾驭反物质，但在现今可见的宇宙范围中，明显的正反物质不对称性成了物理之谜中的最大难题之一。许多可能的物理过程都是在探究重子时所发现。

　　1927年12月，英国物理学家保罗·狄拉克提出了电子的相对论方程式，即狄拉克方程。有趣的是，等式中发现除了一般正能量之外的负能量结果。这显示出一个问题，当电子趋向于朝着最低可能的能阶跃迁时；负无限大的能量是毫无意义的。但为了要弥补这条件，狄拉克提出真空状态中是充满了负能量电子的“海”，称作狄拉克之海。任何真实的电子因此会填补这些海中具有正能量的部分。衍伸这个想法，狄拉克发现海中的这些“洞”则具有正电荷。起初他认为这是质子，但Hermann Weyl指出这些洞应该是具有和电子相同的质量。

　　1932年美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。在此期间，反物质有时也常被称作“反地物质”。反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结合起来就形成了反原子。反物质和物质一旦相遇，就相互吸引、碰撞而100%转化为光并释放出的巨大的能量，这个过程叫做湮灭。湮灭过程会释放出正、反物质中蕴涵的所有静质量能，根据爱因斯坦着名的质能关系式──E=mc?，一种在科学界受到普遍认同的理论认为，宇宙大爆炸早期曾产生了数量相当的物质和反物质，随后发生的物质和反物质的湮灭消耗掉了绝大部分的正、反物质，遗留下的少部分正物质构成了现如今的物质世界。

　　理论上宇宙大爆炸时所产生的粒子与反粒子应该数量相同，但是为什么现今所遗留下来的绝大多数都是正粒子，这即所谓的“正反物质对称性破坏”（对称破缺），虽然在几个粒子对撞试验中，都发现了正粒子与反粒子的衰变略有不同，及所谓的电荷宇称不守恒（CP破坏），但在数量上仍不足以解释为何现今反物质消失的问题，这在粒子物理学上仍是一大未解决的问题。尽管在人们已经在实验室中制造出了为数众多的反原子，然而目前在自然界中尚没有发现反物质。一种观点认为即使自然界中存在反物质，它也很快会和正物质发生湮灭。

　　因为物质与反物质的湮灭时质量可完全转换成能量，带来最大的能源效率，且单位产量是核能的千百倍或常规燃料的亿兆倍，所以一直有人研究其作为新能源的可行性，主要用于在太空很难补给燃料的航天用，甚至作为反物质武器。但是由于目前人为制造反物质的方式，是由加速粒子打击固定靶产生反粒子，再减速合成的。此过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量，且生成反物质的速率极低，因此尚不具有经济价值。此外，不带电的反物质无法以磁场束缚，保存上也是一大问题。