自然界的每一种位子在奇妙的镜面世界中，均有一个反物质的伴侣，当两者相遇时，它们会以辐射形式而湮没。物理学家们通过实验已创造出反粒子，甚至已制造出反物质原子。

当人们问20世纪最惊人的发现是什么时，很少有人怀疑是德国量子物理学家W · 海森堡（Werner Heisenberg）发现的测不准原理。按照他的意见，在本世纪30年代自从预测和发现了反物质，它像魔镜一样已在宇宙中出现。由此我们能看到反物质粒子， 每一种均对应了物质世界中的一种粒子，但是许多性质相反或相对映。那么进一步情况会是什么？如果物质粒子接近或碰到其“对映物”，会发生一些不可思议的事，所有相反性质均互相抵销，与此同时，以伽马辐射的强闪光而成对消失。

自从发现了反物质之后，它一直是物理学研究的重点。粒子物理学家制造了大量的“原材料”以用于实验，来验证物理学的基本定律。反物质同样在医学扫描技术中起了作用。科学家和科幻作家甚至断言，也许有一天反物质能作为燃料的最终形式，推动宇宙飞船在广袤的空间中飞行。

反物质世界的线索，捕获正电子

发现存在反物质的第一个线索是本世纪20年代，当英国物理学家P · 狄拉克（Paul Dirac）试图将物理学的一些最新理论爱因斯坦的狭义相对论和薛定谔的量子物理结合在一起时，狭义相对论描述物体接近光速运动的情况；而量子物理则揭示了粒子在微观世界所表现的行为。1925年之前，这两个理论几乎是各自独立发展起来的。但是两个理论以其独特角度，均可描述原子内部一个电子的动力学行为。因为电子能以接近光的速度运动，但同时又表现出量子行为。

狄拉克最终设法做到把这两个理论结合在一起，提出了电子的相对量子力学理论，即现在人们所称的狄拉克方程。奇怪的是狄拉克方程认为，必定存在1种粒子，它的质量和电子一样，但是电荷相反。这就是为什么狄拉克在1931年就预言存在反电子，同样也可称为正电子。狄拉克还认为如果一个正电子和一个电子相遇，两者会发射伽马射线进而消失，这个过程称之为湮没。

1932年美国物理学家C. 安德逊（Carl Anderson）在实验上证明了存在正电子。他检测到了反粒子，该反粒子来自于空间的高能粒子（称为宇宙射线）和大气中一些分子相碰撞后，生成亚原子的喷溅物，在云雾室检测器中，一个亚原子粒子留下了正电子径迹，该径迹要比质子小，可以认为是一种像电子一样的轻粒子通过所形成，但云雾室周围的磁场迫使该神秘粒子画出了和电子方向相反的曲线，表明它一定是一种带正电荷的粒子。

科学家现在知道所有粒子家族均有反物质的伴侣，即一个质子能和一个反质子相湮没，一个反中子能和中子相湮没等等。所有成对粒子均有相同的质量，但是它们的量子数符号相反，例如来自轻子家族的电子，轻子数是1，而正电子则有相反的轻子数-1。轻子数是一个守恒的量，意味着在相互作用前后，轻子数的总和永远是相同的。例如，如果1个电子和1个正电子相湮没时，它们所产生的光子其轻子数为0。

反物质的发现可以用来解释某些令人迷惑的结果，例如不稳定的核能够发射1个电子进行衰变，这种过程称为β衰变。科学家已经发现在这个衰变过程中所涉及到的核尽管有确定的能量变化，发射的电子也有达到某一最大值的连续能量范围。但这些数据一直困扰着物理学家们，他们迷惑的是在电子能量低于最大值时，究竟发生了什么使得能量“失踪”。丹麦物理学家N. 玻尔（Niels Bohr）甚至认为，β衰变也许违反能量守恒定律。但是在1930年，一位奥地利-瑞士物理学家W. 泡利（Wolfgang Pauli）提出了一个解决办法。他说失踪的能量被一种尚未检测到的中性粒子带走了，该粒子被命名为中微子。

现在科学家知道，当β衰变产生一个电子时，伴随着的粒子实际上是一种反中微子，β衰变产生一个轻子即电子，轻子数为+1，如果这个现象单独发生，那么它将违反轻子数守恒定律，所以核子必须同样发射一个轻子数为一1的粒子，一个反粒子，这就是反中微子，这个反轻子的其他性质，例如其自旋为1/2（即内禀角动量），电荷为0均能从类似的守恒定律中推导出来，随着在实验中发现了反中微子，泡利的解释在50年代中期得到了证实。

与此同时，物理学家们也在粒子加速器强烈碰撞的碎片中揭示出了反质子和反中子。在这类碰撞中，按照爱因斯坦著名的质能方程E=mc²，这里E是碰撞粒子的总能量，c是光速，被加速粒子的动能会转化成质量m，如果碰撞的质子具有足够大的动能，除了原有的质子而外，它们还能产生质子-反质子对。

原则上，除了其正物质伴侣外，高能伽马射线还能自发地产生一个反粒子。已知这个过程就是粒子对创生（Pair Creation）。其次，按照爱因斯坦方程，要产生这个过程，伽马射线的能量至少必须是2mc²，这里m是粒子（或反粒子）的质量。湮没就是这个过程的逆过程。

然而实际上粒子“对创生”和湮没不能随单光子的吸收和发射而孤立地发生。下图可以帮助我们来解释为什么在图中电子和正电子有数值相同但方向相反的动量。整个系统的线动量是零。光子的动量是E/c（它的能量被光速除），所以单光子湮没或创生将得到非零动量，违反了能量守恒定律，湮没的结果通常是发射两个光子。然而如果一个核子以吸收反冲动量形式存在时，也能发生单光子事件。

附图一般来讲湮没伴随发射两个光子而发生，当一个电子和正电子以同样速度面对面碰撞时，总动量为零。当发射一个光子时，总动量E/c（即光子的能量被光速除）会给出非零动量，但是若是两个光子，每一个动量E/c能以相反方向发射。

反粒子还有一个奇特的性质，是由分享1965年诺贝尔物理学奖的美国著名物理学家R. P. 费曼（Richard Phillips Feynman）发现的。他指出，反粒子看起来在时间上似乎能以相反方向运动。当一个粒子在时间上以相反方向旅行时，在某些主要方面它的性质与通常表现是相反的。例如当一个电子从过去到将来转移负电荷时，“反转电子”会从将来到过去转移，精确地说，正电子在正常情况下做的事一对我们来讲就是一个普通电子在时间逆向过渡时出现了带正电荷的行为。简言之，按照费曼的观点，正电子就是在时间上逆向运动的电子，也即物质和反物质相对于时间来说是反转的。

变化的影像，魔镜的裂纹

狄拉克和费曼对反物质的描述意味着反粒子的性质全部可以用其相对应的正物质粒子的性质来决定，就像一个物体出现了其镜中的影像。物质和反物质间这种关系是一种对称性变换的例子：一个粒子可以通过改变电荷符号、自旋数和量子数，或通过时间倒转而转化成其反粒子。这个理论同样意味着我们的镜子将反映出我们所做的任何事情。任何反粒子的反应能映照出其相应正粒子的反应。

令人惊异的是在实验中，这不意味着永远真实。一种称为中性μ子的衰变显示了物质和反物质之间的不对称，证明了反物质镜像有某种意义上的“缺损”。这个惊讶的结果意味着μ子在过去和将来之间存在区别（因为反物质反应相应于物质反应在时间上是倒转运行的），所以，除了每天生活中明显出现肉眼可见之不可逆箭头外，还有亚原子的时间之箭（就像粉碎一块玻璃比用它的碎片重新做一块玻璃要容易得多）。

今天，反物质在某些现代技术中起着很重要的作用。在医学上，正电子发射x射线断层照相术（PET）经常被用来评价脑和心脏的功能。将一种能发射正电子的放射性标记化学物质注射到病人的体内，当正电子和周围电子相遇时，粒子被湮没，产生伽马射线，它们能被PET的扫描仪接收而给出器官的图像。在更加宽广的能谱范围内，物理学家们每小时能够制造出几十亿个反粒子，用作全世界粒子加速器的炮弹。

位于日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）的大型电子-正电子对撞机（LEP）是功率最强大的加速器之一，LEP能在27公里长的地下环形通道中，以相反的方向加速电子和正电子束流，每个电子和正电子每秒要环行大约11000圆周，当它们相撞并湮没时，所有产生的能量能制造出像M子（一种重电子）一类的新粒子。同样还有几个质子-反质子对撞机，像芝加哥附近的国立费米加速器实验室的Tevatron。

CERN加速器中所用的正电子和反质子，全部是他们自、己在加速器中制造的。如果将一个质子束流击中一个固定的靶子后（通常一个典型靶子是由像锂一类轻金属制造的），质子之间会产生对撞，如果对撞的能量足够高，初始的部分动能即会转化成大量的新粒子。守恒定律（像电荷和轻子数守恒定律）意味着物质和反物质会等量地出现。

在CERN的超级质子同步回旋加速器（SPS）中，高达26 Gev能量的质子在击中一个固定靶时，从对掩的碎片中能收获到反质子（当被加速通过几十亿伏特的电位差时，转化单个电荷粒子的能量是1 Gev）。为了聚焦反质子使其成为一个强束流，使用了一种荷兰物理学家范德米尔（Vander Meer）创造的，称为随机冷却的技术，它将使能量不一的束流在不同地点被检测到，并被反馈用于凝聚和聚焦。在随机冷却后 · 反质子在特殊的反质子存积器中形成一个3.5 Gev的束流，然后被转移到质子同步回旋加速器中进一步被加速，最后加速到315 Gev，在那里，反质子束流和以反方向作圆周运动的质子束流相对撞。

在这类对撞所产生的奇异粒子中，有些是感兴趣的物质-反物质混和物。如果一个电子和正电子遭遇在一起，不一定会立刻就湮没，电子将进入绕行正电子逆转的轨道，形成类氢称为正电子素（Positronium）的膺原子，如果电子和正电子有反平行的自旋（总自旋数为0），正电子素的寿命大约为8纳秒，如果自旋是平行的（总自旋数为1），则寿命接近7微秒。这一差别是因为一个自旋为零的态，能够衰变为成对的光子，而每个光子，其自旋为1。与此对应，为了保持动量和角动量守恒，自旋为1的态必须衰变为至少是3个光子的形式，所以这类衰变很少发生。

粘合在一起 制造反氢

另一种物质-反物质混合体是中性π介子，这是一种类似于像膺原子方式衰变成伽马射线的介子。衰变寿命大约为10^-15秒，要比正电子素短多了。这是由于夸克被强力牢牢地束缚在一起。而且因为核子间距非常短，在任何短时间的间隔内发生湮没的机会太高了。

和制造反原子情况相比，制造物质-反物质混合物要简单得多。就像物质世界允许存在稳定元素一样，反物质王国一定同样包含有反元素的周期表，像反氢，反氮等等，CERN的物理学家在1996年成功地制造了几个反氢原子，他们在3周时间内制造了9个反氢原子，其中每个在离开制造它们地点10米远处湮没和分解之前，存活了大约40纳秒。

那么如何把正电子纳入到反质子的轨道中去呢？实际上CERN所用的方法很简单。首先从质子-质子对撞的碎片中收集反质子，然后使它们在回旋加速器中作高速圆周运动，一旦每个轨道的束流（每秒大约运行300万次）通过氙气喷射流时，假如一个反质子转化部分能量到一个电子-正电子对上，在非常稀罕的情况下，一个正电子会以大致和反质子同样的速度离开原束流方向，如果这些正电子中有一个被反质子俘获，那么反氢原子就生成了。

费米实验室的研究人员目前用相同方法也制造出了反氢原子，并希望到1997年底能够生产出几百个这种粒子。他们同样希望要制定出今后的计划，使质子减慢速度，以捕捉到几十或几千个反氢原子，并依靠它们来完成一系列实验，例如有可能研究反氢的光谱（原子发射或吸收不同频率光的顺序）。从理论上讲目前认为它们应该和氢原子一样，如果不同，则对某些基本理论需要重新考虑，或作修正，或推翻重建。

另一个基本想法是用爱因斯坦广义相对论阐述的原理来捕捉反原子。按照作为该理论基础的等效原理，均匀的重力场全部等效于加速的参照体系。这意味着如果你处在一个密封的房间里，将不可能被告知该房间是否在一个产生特定加速度的均匀重力场中，抑被以同样数值加速度施以力量。

如果能证明反原子向上，而不是向下“落去”（fall up）。换言之，如果它们的重力质量对它们的物质对映物有相反的符号——那么等效原理就会失败，物理学家应对他们的理论作某些重要的修正。

通常的假定是反物质和物质一样会“自由”下落，但是在试验之前，没有人会确信如此。但是我们能期待着关于反原子的实验，制造出其他反元素，也许在下一个世纪，甚至有一个反化学的全新世界等待我们去发现。

[New Scientist，1997年2月15日］