反物质

在现代物理学中，反物质（antimatter）在粒子物理学中是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，释放出高能光子（伽马射线）或是其他能量较低的正反粒子对，发生爆炸并产生巨大能量，湮灭所产生的粒子，赋予的动能等同于原始正反物质对的动能，加上原物质静止质量与生成粒子静质量的差，后者通常占大部分，湮灭产生的粒子与反粒子不仅电荷相反，其他一切可以相反的性质也都相反。

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反物质的通俗介绍（来源：科学视界)反物质（antimatter）在粒子物理学中是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的，例如一颗反质子和一颗反电子（正电子）能形成一个反氢原子，如同电子和质子形成一般物质的氢原子。此外，物质与反物质的结合，会如同粒子与反粒子结合一般，导致两者湮灭，且因而释放出高能光子（伽马射线）或是其他能量较低的正反粒子对。正反物质湮灭所造成的粒子，赋予的动能等同于原始正反物质对的动能，加上原物质静止质量与生成粒子静质量的差，后者通常占大部分。反物质有时也常被称作“反地物质”。虽然保罗·狄拉克（Paul Dirac）自己没有使用反物质这个术语，但是后来的科学家将反质子等粒子称为反物质。

1898年英国曼彻斯特大学的物理学教授阿瑟·舒斯特（Arthur Schuster）在《自然》杂志上发表了一篇简短的文章《潜在的物质——一个假期里的梦想》。他从电荷有正负，磁极有南北等现象谈起，假设了原子也有一个潜在的对称“伙伴”，并叫它“反原子”，而反原子组成的物质就是“反物质”。当时人类对于微观世界的认知非常的有限，之后关于舒斯特对于反物质的性质的猜测也有一些被证明不对的地方，所以他的假设仅仅停留在了想象阶段。1928年，保罗·狄拉克的电子量子理论的方程式，这个方程成功的描述了电子在微观世界的行为，并不带矛盾地同时遵守了狭义相对论与量子力学两者的原理。然而这个方程有一个奇怪的属性：它有两个解， 其中的一个解的能量为正，恰好对应了电子的运动。而另一个解，则令人疑惑的带有负数的能量。狄拉克认为，这个负能量解应该是在描述一种像是半导体中“空穴”的粒子。在他的理解中，空间中的正物质电子就像是在木板上的木块，而反物质“空穴”则像是类似于华容道游戏中的那个缺失的木块。通过移动其他的木块，这个空穴也可以像是粒子一样“运动”起来，并且一旦与正物质电子结合，也就是将一块木块堵住这个缺失的洞，这一对正反粒子都会消失。狄拉克方程预言，舒斯特假想的“反粒子”可能是存在的。理查·德费曼（Richard Feynman）和厄恩斯特·斯蒂克尔堡（Ernst Schlange）等人则对狄拉克方程的负数解有着不同的理解。他们认为，这个负数解是在描述一种向时间的反方向运动的粒子。1932年，美国物理学家卡尔·安德森（Kyle Anderson）在观测宇宙射线穿过铅板后在磁场中的云室里留下的照片时，发现了一种“与电子很像，但是带正电”的粒子。安德森把这种粒子命名为“正电子”，这也是人类第一次在实验中观测到反物质。1959年，美国劳伦斯-伯克利国家实验室的十亿电子伏特质子加速器中科学家第一次制备出了反质子。1995年，欧洲核子研究中心的低能反质子环实验，科学家第一次将反氢原子核与核外的反电子“组装”在了一起，制备出来第一个人造反原子。2011年，中美科学家合作制造出了迄今最重的反物质-反氦4原子。截至2023年，费米实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron）制造出的所有反质子加在一起只有15纳克（十亿分之一克）；而CERN制造的所有反质子加起来仅为1纳克；德国的电子同步加速器（DESY）制造的正电子加起来大约2纳克。

表示反粒子的一种方法是在粒子的符号上添加一个条形。例如，质子和反质子表示为

和

分别。如果通过粒子的组成成分来寻址粒子，则同样的规则也适用。另一种惯例是通过正电荷和负电荷来区分粒子。因此，电子和正电子简单地表示为e和e分别。但是，为了防止混淆，这两种写法绝不能混合使用。

元素衰变和宇宙射线少量反物质持续不断地以宇宙射线和高能粒子的形式，降落在地球上，目前在国际空间站上运行的阿尔法磁谱仪（AMS-02）的初步结果表明，宇宙射线中的正电子到达时没有方向性，能量范围从10 GeV到250 GeV，这些反物质粒子到达大气层的范围1到100个/平方米，但其他反物质来源其实就近在咫尺，如香蕉也会产生反物质——它每75分钟会释放出一个正电子。之所以会出现这一现象，是因为香蕉包含有少量的钾-40。钾-40是钾的天然同位素，会在衰变过程中释放正电子。人体也包含有钾-40，这意味着人体也会释放正电子，由于反物质一旦同物质接触，就会彼此湮灭，因此，这些反物质粒子转瞬即逝。

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反物质到底是什么（来源：古今研究社)

一种氟代脱氧葡萄糖

如图所示的氟代脱氧葡萄糖是一种电子发射计算机断层成像最常用的显像剂，其正电子核素由回旋加速器产生一定能量的质子轰击相对原子质量18的氧原子获得。2008年11月，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）报道了正电子，通过激光驱动电子穿过金靶的原子核，导致进入的电子发射能量量子，衰变为物质和反物质，正电子被探测到的速率和密度比以前在实验室中探测到的更高。

1955年，加州大学伯克利分校的物理学家埃米利奥·塞格雷（Emilio Segrè）和欧文·张伯伦（Owen Chamberlain）通过实验证实了反质子的存在，并因此获得了1959年诺贝尔物理学奖。1959年，美国劳伦斯-伯克利国家实验室的十亿电子伏特质子加速器中科学家第一次制备出了反质子。1956年，布鲁斯·科克及其同事在劳伦斯伯克利国家实验室的质子 - 质子碰撞中发现了反中子。除此之外，还产生了由多个结合的反质子和反中子组成的反原子核。1995年，欧洲核子研究中心的低能反质子环实验，科学家第一次将反氢原子核与核外的反电子“组装”在了一起，制备出来第一个人造反原子。

在欧洲核子研究中心的低能反质子环（LEAR）进行PS210实验的团队于1995年制造了第一个反氢原子，在2002年，ATHENA和ATRAP两个实验生产了数万个反氢原子，后来甚至产生了数百万个。然而这个数量很小，10，000，000，000，000，000倍的反氢气才能够填充满一个玩具气球，如果按现在的产能估算，即使能将日常生产的原子储存起来，也将耗费数十亿年才能将气球填充满。

目前反物质是由加速器产生的高能粒子打击固定靶产生反粒子，再经减速合成的，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：仅仅制造1克反物质就需要大约

千瓦时的能量。因此，从生产成本考虑，反物质是世界上最贵的物质。反物质的成本制造反物质所需的能量大约是其最终包含的能量的10亿倍，因此降低了反物质生产和储存的效率。根据爱因斯坦质能方程，1克反物质含有:

千瓦时因此，考虑到低生产效率，生产1克反物质需要近2500万亿千瓦时的电能，即使在电力的折扣价格下，生产1克反物质的成本也超过100万亿欧元。从经济角度来看，这是不可行的，产生反物质的成本远超其回报的价值。

欧洲核子研究中心的雅典娜（ATHENA）项目已经能够通过将正电子和反质子混合在一起来制造反氢，由于氢是电中性的，电子阱不能包含新形成的原子，这些原子会迅速漂移而湮灭，它们的速度非常快，所以不可能被困住。现在，作为雅典娜（ATHENA）的继任者，ALPHA（反氢激光物理设备）项目已经通过开发一种使用频率扫描技术非常温和地将反质子驱动到正电子中的新方法，使捕获反氢成为现实，它提供了足够的极低能量的反氢原子，并且这些反氢原子很容易被捕获。在设备中它们被振荡电场推到一起，形成低能的反氢。虽然反氢是电中性的，但它确实具有磁矩，所以捕获它们的关键是使用使用最先进的超导材料建造的新的α陷阱来产生磁场。理想情况下，这些陷阱非常有效，粒子可以储存数月，并且储存反粒子的世界纪录是由欧洲核子研究中心的陷阱实验保持的，这项纪录中一个反质子在潘宁陷阱中被保存了57天。

正电子、反质子、反中子、反μ子、反τ子、反上夸克、反下夸克、反顶夸克、反底夸克、反魅夸克、反奇夸克、反电中微子、反μ中微子、反τ中微子均为反粒子。反物质在粒子物理学中是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如一颗反质子和一颗反电子（正电子）能形成一个反氢原子，如同电子和质子形成一般物质的氢原子，大部分物质是由质子和中子组成的，而质子和中子是由夸克组成的，夸克是一种物质粒子，构成反质子的反夸克与构成质子的夸克携带相反的电荷。有六种夸克，但物理学家通常用三对来描述它们:上/下、粲[càn]/奇和底/顶。而且，对于每一个夸克，都有一个对应的反夸克。夸克有一个不寻常的特点，那就是带少量电荷，不像质子和电子，它们带正1和负1的整数电荷。

反粒子结合形成反质子、反中子、反电子，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。

1928年，英国物理学家狄拉克根据相对论方程和量子电动力学方程，推测世界上存在反物质，构成它们的基本粒子与物质的基本粒子质量相同，但电荷相反。起因是狄拉克用方程来解释电子的行为，他注意到有两种可能的解，类似于由二次方程得出的正解和负解，而他相信正解是质子的数学表示。在场论的现代公式中，狄拉克方程是用狄拉克旋量场写成的。

取复向量空间中的值具体描述为

，定义在平面时空（闵可夫斯基空间）)

。它的表达式还包含伽马矩阵和参数

解释为质量以及其他物理常数。就领域而言，

狄拉克方程为

狄拉克方程

在自然单位中，用费曼斜杠符号，

狄拉克方程（自然单位）

它的内容是在每一个量子态中，不能有两个以上的电子，这两个电子的转矩和磁矩的方向相反。根据这一原理，随着核电荷和原子电子数的增多，电子应该顺序地先填充内部的壳层，然后再填充离核越来越远的各个壳层。利用泡利原理狄拉克作出下述的假设：一切具有负能量的状态都已被电子所占据，因此，具有正能量的电子就不可能进入这些被占据的状态中。在正常状态的原子中情形正是这样，外面的价电子不可能进入内壳层最靠近原子核的，因为这个壳层已经被占据了。此外，狄拉克作出第二个假设：被无限多个具有负能量的电子所填充的空间应看成空的空间（真空条件）。这种空间的电荷和能量应当看作等于零。狄拉克因创立有效的，新形式的原子理论，包括正确预测了反物质而获得1933年诺贝尔物理学奖。

1932年，美国物理学家卡尔·安德森发现，所预测的正粒子不是质子，而是与电子具有相同的质量的电子，因此，狄拉克预测的子“反电子”并命名为正电子，卡尔·安德森因此获得1936年诺贝尔物理学奖。

物质与其所对应的反物质碰撞后消失并产生高能光子（γ射线）等能量的过程，例如电子与正电子的碰撞，称之为湮灭，其反应过程遵守爱因斯坦的质能方程：

，其中E为湮灭时产生的能量，m为物质湮灭前的总质量，c为光速。

反物质无法在自然界找到，因放射衰变或宇宙射线等现象中有少量暗物质瞬间存在后与正物质相遇后湮灭，难以观测到，实验中可通过正子断层照影等仪表产生正电子。比如，人体中有一种钾-40元素，这种元素不稳定，会释放出正电子；香蕉中也有钾-40，一根香蕉每75分钟释放一个正电子，一天能够释放19个正电子。但是，这些正电子一出生，就会与密度很高的负电子碰撞而湮灭，所以我们很难感受到它们的存在，目前，科学家们仍然没有办法大规模制造或收集到足够多的反物质，经过近半个世纪的研究，人类现在也最多只能将反物质（反氢原子）保存1000秒；2011年，CERN的科学家成功将309个反氢原子保持到1000秒，是此前的5000倍。

根据欧洲航天局INTEGRAL卫星的观测结果，Integral发现星系的反物质云是不平衡的，观测结果大大降低了反物质来自天文暗物质湮灭或衰变的可能性。

航天员在空间站

马克斯普朗克地外物理研究所的Georg Weidenspointner和一个国际天文学家团队利用Integral四年的数据做出了这一发现。云之所以出现，是因为当反物质的单个粒子（在这种情况下是正电子）遇到电子（它们的正常物质对应物）并相互湮灭时，它发出的伽马射线。正电子湮灭的一个特征是伽马射线携带511千电子伏特（keV）的能量。自从511年代气球上的伽马射线探测器从银河系中心发现1970 keV发射以来，关于这些正电子的起源一直存在激烈的争论。一些天文学家认为，爆炸的恒星可以产生正电子。这是因为放射性核元素是在巨大的能量爆发中形成的，其中一些通过释放正电子而衰变。然而，目前还不清楚这些正电子是否可以从恒星碎片中逃逸，其数量足以解释观测到的云的大小。

阿尔法磁谱仪（AMS-02），这是一种最先进的宇宙射线探测器，旨在检查物质的基本性质和宇宙的起源。作为大型强子对撞机工作的补充，科学家们正在寻找对反物质和暗物质的更好理解，阿尔法磁谱仪（AMS-02）已经被称为宇宙射线的哈勃太空望远镜，是人类送入太空的最大磁谱仪，可以从数十亿个事件中识别一个反粒子。这意味着与以前的实验相比提高了三个数量级的精度。在这样的精度下，探测器将以前所未有的准确度来探测宇宙射线光谱的组成，其内部有一个强大的永久磁铁，带电粒子和反粒子将在其作用下向相反的方向偏转，从而让物质和反物质分道扬镳[biāo]，而不会“见面”导致彼此湮灭。

AMS-02在太空中

AMS是由诺贝尔物理学奖获得者丁肇中领导的大型国际合作，发起人包括中国科学院院士陈和生和王贻芳，AMS探测器2011年升空，到目前已经持续运行超过7年，获取了超过1200亿宇宙线事例，并将持续运行到国际空间站使命结束，不早于2024年。AMS的核心“永磁体”由中国研制，其电磁量能器由中国、意大利和法国共同研制。

欧洲核子研究中心的BASE合作报告了质子和反质子（质子的反物质对应物）之间最精确的比较。BASE团队分析了欧洲核子研究中心反物质工厂（一个独特的反物质生产和分析设施）一年半的质子和反质子测量结果，以创纪录的精度测量了质子和反质子的电荷质量比。

RHIC-STAR实验, 在实验室观测到第一个反物质超核——超氚[chuān]核, 打开了三维核素图的大门，观测到迄今为止最重的反物质原子核——反氦4, 为科学家在宇宙寻找反氦原子核信号提供可靠的截面计算参考值。

正反物质相遇湮灭释放能量，反物质与普通物质具有相同质量但电荷相反，其中，反电子是负电荷量子的反粒子，它是反物质的代表，具有与正常电子相同的质量，但带有相反的电荷。反质子则是质子的反粒子，它具有与普通质子相同的质量和电荷相反的电荷，即为负电荷。

反物质的应用领域非常广泛。其中一个主要应用是在核医学中。反电子发射断层扫描技术（简称PET）是一种用于诊断癌症和其他残留问题的成像技术。发射正电子的放射性同位素（比如香蕉内发现的钾-40）被附着到葡萄糖等化学物质上，然后一起被注射入血管内。葡萄糖在血管内分解，释放出正电子，正电子遇见体内的电子并彼此湮灭。这一湮灭过程会产生伽马射线，这些伽马射线可被用来构建身体的图像，从而为医生提供诊断依据。CERN的科学家们一直在研究将反物质作为一种潜在治疗癌症的手段。物理学家们发现能使用粒子束攻击肿瘤，这些粒子束会在安全地穿越健康组织之后，释放出能量。使用反质子可以添加另一束能量。科学家们已经发现，这一技术对仓鼠的细胞有效，但还没有对人体进行相关研究。

正电子发射计算机断层扫描（PET）设备

反物质武器的理论威力也远强于现有的核武器，早在上世纪时，身为美国氢弹之父的爱德华·泰勒就表示反物质可以在军事方面运用，其威力是超乎想象的。正反物质之间的碰撞会产生湮没过程，即两者都不复存在，从而释放巨大的能量，并释放多种具有杀伤力的射线，比可控核聚变还要强，并且这个过程不会产生辐射也不存在污染。因此“反物质武器”引起了军事界的关注，也成为科幻小说中一种比核弹更可怕的武 器。如果人类未来能对这种能量予以控制，就可能制造出推进力更强、重量更轻的航天发动机，所以反物质也被视为一种潜在的新能源。

据估算1克“反物质”存储的能量是90万亿焦耳, 远远大于传统的汽油燃烧，能释放相当于4000多万吨TNT炸药的能量， 足以为23 架航天飞机提供动力，比目前高效的核反应也要高出1000倍。美国物理学家杰拉德·史密斯近十几年来一直在追寻反物质，他认为反物质可作为燃料用于亚光速宇宙飞船。各种成对的粒子与反粒子一旦相遇，释放出γ射线和π中间子及极大的能量。经计算，要把质量为1000千克的宇宙飞船加速到0．1倍光速，只需9千克的反物质燃料。理论上说，粒子与反粒子消失时产生的能量是核裂变和核聚变的100倍。他利用欧洲核子研究中心的巨型加速器可在10分钟里产生10亿个反质子。然而反质子以0.1倍光速飞迸，史密斯在反质子的前方设置全金属箔和气体，以降低反质子的速度，力图将反质子封闭在一个用磁场构成的容器内。如果获得成功，10分钟里就能富集到100万个左右的反质子。遗憾的是，100万个反质子作为火箭燃料实在是杯水车薪。即使史密斯提出的新设施10年内能问世，每年也只能生产出1微克反物质，要把9千克反物质火箭燃料弄到手，需要90亿年。虽然反物质的应用广泛，但仍存在一些挑战和难点，首先反物质无法在自然界找到，其次反物质的生产非常昂贵和困难，因此在应用中存在较多限制。

反物质火箭

从最初预言反物质存在，到反物质的发现，以及现在对反物质性质的研究，丰富并加深了人类对整个物质世界的理解，未来任何正物质和反物质性质差别的发现都将预示着物理学新的突破；同时，由于正反物质会发生湮没，将质量完全转化为能量，因此对它的可控利用也是人类的目标，由于反物质的产生需要巨大的能量输入，因此可控、高效地 利用反物质之路还仍漫长，目前反物质研究还处在基础研究阶段，但未来，人类有可能将反物质用作能源和武器，使其发挥巨大的应用价值。