反物质是什么？

在一些科幻电影和小说中，经常会有反物质武器和反物质空间等概念，或者将反物质作为星际飞船的超级燃料。那么反物质是否真的存在呢？2011年，欧洲核子研究中心利用磁场陷阱将309个反氢原子捕获，长达1000秒之久，这里的反氢原子就属于我们经常所说的反物质。关于反物质的研究，首先得从一位英国物理学家狄拉克说起。

1928年，他把相对论引进了量子力学，建立了著名的狄拉克方程。这个方程把爱因斯坦的狭义相对论和薛定谔的方程结合了起来。不过当时这个方程引起了很多人的质疑，因为根据这个方程的解，电子不仅存在正能解，还会同时存在负能级。狄拉克对此做出的解释是，这些负能级已被电子占据，按照不相容原理，每个能级只能容纳两个自旋相反的电子，因此我们观察到的电子不能向下月迁到赋能集群，物质世界像是浸没在赋能级电子的海洋中，这就是狄拉克之海。当有电子从负能级上被激发出来，留下的空血表现为一个质量与电子相同。但和与电子相反的例子，狄拉因此预言这就是正电子。狄拉克之海也是对正电子存在的描述。正电子就是电子的一个镜像，因为所有物质的电子都是负电子，所以正电子就是反物质粒子。1932年，美国物理学家安德森利用云氏研究宇宙射线时意外地发现了正电子，证实了狄拉克的预言。此事引起了科学界的震惊和轰动。安德森因发现正电子而获得了1936年诺贝尔物理学奖，这也是人类首次发现反物质粒子。到20世纪50年代，又先后发现了反质子和反中子。

到目前为止，已经发现的300多种基本粒子都是正反程对存在的，也就是说任何粒子都可能存在着反粒子。自然界中纷繁多样的宏观物体还原到微观本源，实际上都是由质子、中子和电子这些基本粒子所构成的。由基本粒子构成了我们世界的物质被称为正物质，那么由反粒子组成的物质就是反物质。正常原子是由带正电的原子核与带负电的电子构成，而反物质的构成却完全相反，由带负电的原子核和带正电的。

电子构成从根本上说，反物质就是物质的一种镜像的表现形式。爱因斯坦也曾经根据相对论预言过反物质的存在，既然正物质可以构成我们的宇宙，那么反物质也同样能构成一个镜像的宇宙，甚至会有反物质的生命。也可能我们每个人都有一个镜像的自己，但是你不可能与反物质世界中的镜像自己相遇，因为正反物质一旦相遇时就会相互湮灭并产生巨大的能量，其智能转换率达到100%。世界上没有任何物质或技术制造出来的能量可以与反物质相比。

现在人类掌握的最大智能转换技术就是核聚变，质量转化为能量的比率约0.7%，也就是一千克物质可以转化出七克的能量。根据爱因斯坦智能方程，即一等于MC平方，一克反物质全部释放的能量约九成十的十三次方焦二，但反物质灭需要有正物质的参与，一克反物质会严格与一克正物质发生湮灭，所以就会爆发出两克的能量，即1.8乘十的十四次方焦耳。这个能量有多大呢？大概相当于五千万度电，或者说4.4万吨TN梯炸药的爆炸威力，1945年美国在日本广岛投掷的原子弹的当量约1.3万吨，也就是说依反物质灭释放的能量相当于3.3颗广岛原子弹。所以用反物质作为武器从理论上是确实可行的。根据美国肯特州力大学的分析结果显示，如果用反物质作为燃料，可将火箭速度加速至光速的70%，而核聚变技术是不可能达到这种效率的。所以人类未来要实现星际航行，利用反物质作为燃料也是比较理想的选择。但是自然界有大量的正物质，却没有发现稳定的由反粒子组成的反物质，不过反粒子在地球上并不少见，比如香蕉每75分钟就会释放出一个正电子，这是因为香蕉含有微量的甲四零，甲四磷，衰变的时候就会释放正电子，而且我们人体内也存在着甲四零，也会不断释放出正电子，并五负电子发生湮灭，不过电子的质量只有大约9.1乘十的负31次方千克，释放的能量相当于8.1乘十的负式四次方焦耳，也就是一百万亿分之一瓦的能量，这点能量我们是完全感受不到的。

此反物质粒子虽然在地球上广泛存在，但是总量极其稀少，并且捕捉或人工制造反物质非常困难。据科学家测算，用世界上最大的欧洲大型强子对撞机不间断运行1000年才能够制造出伊维克反物质，也就是0.000001克。据估算，要想制造伊克反物质至少需要上万亿美元，这就导致反物质成为了世界上最昂贵的物质。科学家们花费了几十年时间，动用最顶级的科学技术和设备，全世界捕捉和制造出来的反物质还不足19大克，如果将其湮灭，释放的能量不足以烧开一杯水。那么为什么宇宙中反物质会这么少呢？根据宇宙大爆炸的理论，我们的宇宙开始于一个密度和温度都无限高、均匀并各向同性的纯能量状态，这个状态被称为起点。在如今大多数常见的宇宙大爆炸的模型中，早期的宇宙曾经历了一次爆炸的过程，在这个爆炸的过程中，基本粒子被创造了出来，纯能量转化成了大量高速运动的正反粒子队，并且正反粒子队的数量应该是相等的，他们在相互碰撞的过程中。湮灭只剩下能量。

所以从理论上来说，我们这个由正物质构成的世界应该是不存在的，但事实却并非如此，这就是所谓的正反物质对称性破缺。有些物理学家认为，在宇宙大爆炸之初，正反粒子对在大量湮灭过程中出现了细微的差异，导致大约十亿分之一的正粒子被保留了下来。而这个细微的差异就是杨振宁和李正道于1956年提出的若相互作用，终于衬步守恒定律。之后，物理学家吴健雄在实验中验证了他们的理论，杨振宁和李正道也因此获得了1957年的诺贝尔物理奖。至此，粒子世界中物理规律的对称性被打破，世界从本质上被证明了是不完美的、有缺陷的。然而，正是由于物理定律存在轻微的不对称，才导致宇宙大爆炸之初生成的物质比反物质略多了一点点，剩余的这些物质后来经过了漫长的演化，合成了原子，诞生了星系、恒星、行星乃至生命。