反物质是什么东西(反物质水是什么东西)

反物质是什么东西(反物质水是什么东西)

反物质是什么东西？怎么理解其？

反物质是由反粒子组成的物质。所有粒子都有反粒子，反粒子的特征是与对应粒子的质量、寿、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇数等量子数相反。

例如，氢原子由带负电的电子和带正电的质子组成，而反氢原子正好相反，由带正电的正电子和带负电的反质子组成。遇到反物质后会湮灭，释放大量能量。

科学家认为制造大量反氢原子有助于验证CPT守恒假说的正确性和普适标准模型的普适性。如果发现反氢原子和氢原子在物理规律上不完全相等，将会给物理学和宇宙学的一些基本问题带来非常重要的新启发。比如大爆炸理论认为，宇宙诞生时，从虚无中产生等量的物质和反物质。但在人们观察到的宇宙中，物质显然是主导的。对反氢原子的研究可能有助于解决这个疑问。

简单来说就是超出已知世界的物质~肉眼看不见~反物质是由反粒子组成的物质。所有粒子都有反粒子，反粒子的特征是与对应粒子的质量、寿、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇数等量子数相反。

比如氢原富富滇黄檀的铜牺牲放大器由一个带负电的电子和一个带正电的质子组成，而反氢原子正好相反，由一个带正电的正电子和一个带负电的反质子组成。遇到反物质后会湮灭，释放大量能量。

科学家认为制造大量反氢原子有助于验证CPT守恒假说的正确性和普适标准模型的普适性。如果发现反氢原子和氢原子在物理规律上不完全相等，将会给物理学和宇宙学的一些基本问题带来非常重要的新启发。比如大爆炸理论认为，宇宙诞生时，从虚无中产生等量的物质和反物质。但在人们观察到的宇宙中，物质显然是主导的。对反氢原子的研究可能有助于解决这个疑问。《科技日报》 2002年9月22日，狄拉克从理论上预言世界上存在与粒子相反的反粒子，它们的电荷与粒子的电荷相反，构成反物质。反物质的自旋和反物质的电荷与正物质相反。

除了质量，其他都是反物质：的对立面。

我们知道，要把自然界的各种宏观物体还原到微观的原点，它们都是由质子、中子和电子组成的。这些粒子因此被称为基本粒子，这意味着它们是世界上一切事物的基本组成部分。事实上，基本粒子的世界并没有那么简单。20世纪30年代初，有人发现了带正电荷的电子，这是人们认识反物质的步。20世纪50年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始清楚地认识到自然界中任何基本粒子都有相应的反粒子。

电子与反电子质量相同，但电荷相反。质子和反质子也是如此。那么中子和反中子的性质有什么区别呢？事实上，粒子实验已经证明，粒子和反粒子不仅电荷相反，所有其他可以反转的性质也都相反。这里我们讨论一下重子数的概念。

质子和中子统称为核子。从对核现象的研究中发现，质子可以转化为中子，中子也可以转化为质子，但体系中的核子总数在转化前后是不变的。从20世纪50年代开始，粒子实验表明，比核子重的粒子有很多种，与核子属于同一类。这种粒子后来被改名为重子，核子只是最轻的代表。总的规律是，当粒子通过相互作用转化时，系统中的重子数不会改变。

因为重子数守恒，两个质子碰撞不会产生三个重子的系统，那么反核子应该如何产生？实验表明

其中n代表质子或中子，n’代表反质子或反中子。反核子一旦产生，往往会与周围的核子再次碰撞，以咸的方式湮灭。例如

n’一些介子

对于比核子重的重子，情况完全一样。反重子总是与重子成对产生，又成对湮灭。这些经历让人们意识到，重子数守恒定律需要重新认识。

现在人们把重子数B看作一种电荷来描述粒子的性质。正负重子不仅电荷相反，重子数b也相反，如果任意重子的重子数b=1，那么任意反重子的重子数b=-1。介子、轻子、规范子等非重子没有重子数，也就是它们有b=0。重子数守恒定律可以表述为：没有粒子反应会改变系统的总重子数B。这个表达式不仅反映了不涉及反粒子时重子数不变，而且概括了反粒子和粒子的对产生和湮灭。现在我们很容易理解中子和反中子的区别。它们具有相反的重子数B，因此反中子可以与核子碰撞并导致湮灭，而中子则不能。

此外，人们同样发现了轻子数守恒。中微子虽然不带电，没有重子数，但是和反中微子有相反的重子数。根据轻子数守恒，中微子和反中微子的物理行为也有很大不同。实验还表明介子和规范粒子是不守恒的。这样我们就可以看到，电荷只是粒子的一种性质，还有重子数、轻子数等物理量描述的其他性质。正负粒子的这些性质也是相反的。

我们周围的宏观物质，主要是由重子数为正的质子和中子组成的。因此，这类物质被称为正物质，由它们的反粒子组成的物质相应地被称为反物质。从粒子物理的角度来看，正电子和反轻子的性质几乎是完全对称的，那么为什么自然界中存在大量的正物质，却几乎没有反物质呢？这正是我们现在要讨论的问题。

宇宙中有反物质物体吗？

实验证明，正负粒子的强作用和电磁作用性质是完全一样的，所以反质子和反中子也可以结成带负电的反核，反核和反电子可以结成反原子。我们的正物质世界有多少种原子，相应的反物质世界可以有多少种反原子？

，而且它们在结构上将是完全没有区别的，延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星和星系。如果宇宙中正反物质为等量，那么这样的反恒星和反星系就应当存在。因此这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗？我在科幻小说里见过，指另一个空间里的东西，与物质等属性相反，拥有超人的能力。反物质原子核内质子带负电，与正物质相遇会发生湮灭现象释放大量能量

什么是反物质？

反质子、反中子和反电子如果像质子、中子、电子那样结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。

粒子物理中的反物质概念

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我们知道，把自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源，它们都是由质子、中子和电子所组成的。这些粒子因而被称为基本粒子，意指它们是构造世上万物的基本砖块，事实上基本粒子世界并没有这么简单。在30年代初，就有人发现了带正电的电子，这是人们认识反物质的步。到了50年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。

电子和反电子的质量相同，但有相反的电荷。质子与反质子也是这样。那么中子与反中子的性质有什么差别？其实粒子实验已证实，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。这里我们讨论一下重子数的概念。

质子与中子被统称为核子。人们从核现象的研究发现，质子能转化为中子，中子也能转化为质子，但在转化前后，系统的总核子数是不变的。50年代起的粒子实验表明，还有很多种比核子重的粒子，它们与核子也属同一类，这类粒子于是被改称为重子，核子仅是其最轻的代表，一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化，系统中的重子个数是不会改变的。

由于重子数的守恒性，两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的，那么反核子应当怎么产生？实验表明，反核子总是在碰撞中与核子成对地产生的。例如

p+p → N+N+N+N'+若干 π介子

其中N代表质子或中子，N'代表反质子或反中子。反核子一旦产生，它常很快与周围的某个核子再相碰而咸对地湮灭。例如

N+N' → 若干 π介子

对于比核子更重的重子，情况完全一样。反重子也总是与重子成对地产生，成对地湮灭的。这些经验使人们认识到，重子数的守恒规律需要重新认识。

现在人们把重子数B当作描述粒子性质的一种荷。正反重子不仅有相反的电荷，而且也有相反的重子数B。令任一个重子都具有重子数B=+1，则任一个反重子都具有B=-1。介子、轻子和规范子等非重子不具有重子数，即它们有B=0。重子数的守恒规律可表述为：任何粒子反应都不会改变系统的总重子数B。这表述既反映了不涉及反粒子时的重子个数不变，也概括了反粒子与粒子的成对产生和湮灭。现在我们容易理解中子和反中子的区别了，它们具有相反的重子数B，因此反中子能与核子相碰导致湮灭，而中子则不能。

此外，人们还类似地发现了轻子数的守恒性。中微子虽不带电，也不具有重子数，但它与反中微子具有相反的轻子数。按轻子数的守恒性，中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的，实验还表明，介子数和规范粒子数是不具有守恒性的。这样我们看到，电荷只是粒子的一种属性，另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性。正反粒子的这些属性也都是相反的。

1928年，英国青年物理学家狄拉克从理论上论证了正电子的存在。这种正电子除了电性和电子相反外，一切性质和电子相同。1932年，美国物理学家安德逊在实验室中发现了狄拉克所预言的正电子。1955年，美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质子。此后人们逐渐认识到，不仅质子和电子，所有的微观粒子都有各自的反粒子。

这一系列科学成果使人们日渐接近反物质世界。然而问题并不那么简单。首先，在地球上很难发现反物质。因为粒子与反粒子碰到一起，就像冰块遇上火球一样，或者一起消失，或者转变为其他粒子。所以在地球上，反物质一旦碰上其它物质就会被兼并掉。其次，制造反物质相当困难而且耗费巨大，需要如SSC或LHC之类的高科技仪器，并且即使制造出反物质，也难以保存，因为地球上万物都有物质构成。

我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成。因此，这样的物质被称为正物质，由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质。从粒子物理的角度讲，正粒子和反拉子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质，而却几乎没有反物质呢？这正是我们现在要讨论的问题。

宇宙中有反物质天体吗？

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粒子实验已证实，正反粒子的强作用和电磁作用性质完全一样，因此反质子和反中子也能结成带负电的反原子核，反核和反电子结在一起，就能组成反原子。我们的正物质世界有多少种原子，相应在反物质世界中也能有多少种反原子，而且它们在结构上将是完全没有区别的，延伸起来讲，大量反原子可以构成反物质的恒星和星系。如果宇宙中正反物质为等量，那么这样的反恒星和反星系就应当存在。因此这给天文学家提出了一个深刻的问题：天上有反恒星和反星系吗？

要由观测来分辨远处星系由物质构成或反物质构成并不容易，今的天文观测只是接收远处天体所放出的光子。原则上，正物质天体若辐射光子，那么同样的反物质天体应当辐射反光子。但是光子是纯中性的粒子，因此光子与反光子是同一种粒子。这样，天文学家通过可见光、射电、X射线或 γ 射线观测，原则上无法区分他的目的物是由物质构成还是由反物质构成。恒星和星系除了辐射光子外，它们还辐射中微子。中微子与反中微子很不一样，如果天文学家能接收中微子，那么他就能区分物质天体与反物质天体。可惜中微子与任何物质的相互作用都很微弱，造一个能接收它们的仪器很困难。今天用这办法来区分物质天体或反物质天体还办不到。那么让我们问：与我们最邻近的太阳或月亮会是由反物质组彻吗？

月亮是离我们最近的天体，由地面出发的宇航员已在月球上登陆过。如果月球是由反物质组成的，那么在那位宇航员与月球接触时，湮灭过程早已把他转化为介子了。这是直接证据，表明月亮是正物质天体。于太阳，那是人类没有可能登陆的地方。那么怎么才能知道它不是由反物质组成的呢？太阳表面的气体很热，其中热运动速度较快的原子的速度已超过了太阳表面的逃逸速度，这就是太阳风的起因，若太阳是反物质恒星，太阳风就由反原子组成，它吹到行星上，就会和行星的正原子相湮灭。于是正物质组成的行星会逐渐消失掉，这种消失过程没有发生，就证明了整个太阳系中没有反物质天体。这样，如果要存在反物质天体，它少应在太阳系之外。

1979年，美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空，气球上载有一批十分灵敏的探测仪器，结果，它在高空猎取了28个反质子。这是在地球以外次发现的反物质。除此之外，还在星际空间发现了反物质流。

把眼光放远到整个银河系，要问的是：在这个由千亿个恒星构成的系统中，会有一部分是反恒星吗？今天人们也已能肯定地回答：不会有。我们从地面上能接收到太空中飞行的宇宙射线。观测统计表明，宇宙射线粒子中反质子仅是质子的万分之几，并且这少量的反质子是高能粒子碰撞的次级产物，而不是原始的，此外宇宙射线中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α 粒子却一个也没有发现过，这些事实说明原初的宇宙射线是由正物质组成的。如果银河系中有反物质恒星，那么宇宙射线粒子将与它碰撞而发生湮灭。湮灭产生的 π 0 介子将很快衰变而成 γ 光子。因此这种湮灭过程是能够通过 γ 射线的观测来发现的。正是没能找到湮灭过程所放出的很有特征性的 γ 光子，使人们知道，银河系中并没有反恒星的存在，整个银河系都是由正物质组成的。

我们的宇宙是由大量星系构成的。若在远处有反物质组成的星系，原则上也能用同样的道理来发现。星系之间并不是真空，而是弥漫着很稀薄的气体。因此，若既有正物质星系又有反物质星系，那么正反物质必会相遇，相遇处必会有湮灭过程发生。人们着意地寻找了相应的 γ 射线，而没有找到过。于是得出结论：在三千万光年的范围内不会有巨大的反物质星系存在。若在更远的地方有这种湮灭发生，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。所以上述结论是今天的观测能力所能给出的回答。

在这样的结果面前，人们的看法分成了两种。一种认为宇宙中正反物质应当是等量的，需要的是从更远处去寻找反物质星系存在的证据。另一种认为事实已暗示，宇宙中没有大量的反物质存在，需要的是从宇宙的演化中去寻找造成今天没有反物质的原因。 反物质是物质的镜像。物质由原子组成,原子又由质子、中子和电子组成。质子带正电,电子带...通常物质中没有发现过反物质,即使在实验条件下,反质子也一瞬即逝。

当你照镜子时，看一看在镜子中的那个你，如果那个镜子里的家伙真的存在，并出现在你的面前，会怎么样呢？

科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜子中的那个你叫做“反你”。他们甚想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界，或者说是我们的世界在镜子里的像。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。但是反物质是什么，这一切又可能是真实的吗？

对于“反物质是什么”这个问题，并没有恶作剧的意味。反物质正如你所想象的样子——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。直到最近，宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的。在1928年，英国物理学家PaulA.M.Dirac修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）。Dirac说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑“m”——质量——除了正的属性外还有负属性。Dirac的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子。而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在。这些反粒子，顾名思义，是一般物质的镜像。每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量，但是电荷相反。以下是20世纪发现的一些反粒子。

正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子。由CarlAnderson在1932年发现，正电子是反物质存在的个证据。 反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子。由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子。

反原子——正电子和反质子组在一起，由CERN的科学家制造出个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）。共制造了九个反氢原子，每一个的生只有40纳秒。到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个。当反物质和物质相遇的时候，这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸，放射出纯的射线，这些射线以光速穿过爆炸点。这些产生爆炸的粒子被完全消灭，只留下其它亚原子粒子。物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量。科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多。 所以，为什么我们不能建一个物质——反物质反应机呢？建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏。如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质，我们将可能看到围绕我们的这些反应。既然我们的周围并不存在反物质，我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光。

在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的。如上所述，粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了。并且因为开始的时候有更多的粒子存在，所以现在的粒子是所有留下来的那些。今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子。但是，在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在，也意味着存在天然的反物质，所以我们将不再需要制造反物质。

但是目前，我们将不得不创造我们自己的反物质。幸运的是，通过使用高能粒子对撞机（也叫做离子加速器）这种技术制造反物质是可行的。离子加速器，象CERN，是沿很强的环绕的超磁场排列的一些巨大的隧道，超磁场可以使原子以接近光速的速度推进。当原子通过加速器出来时，它轰击目标，创造出粒子。这些粒子中的一些就是用磁场分离的反粒子。这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子。一毫微克是一克的十亿分之一。所有一年之内在CERN产生的反核子只够一个100瓦的电灯泡亮3秒钟。如果要用反核子进行星际旅行将需要消耗几吨才能实现。举个例子氢离子应该是H+而反物质就是H-我们知道，把自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源，它们都是由质子、中子和电子所组成的。这些粒子因而被称为基本粒子，意指它们是构造世上万物的基本砖块，事实上基本粒子世界并没有这么简单。在30年代初，就有人发现了带正电的电子，这是人们认识反物质的步。到了50年代，随着反质子和反中子的发现，人们开始明确地意识到，任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在。

电子和反电子的质量相同，但有相反的电荷。质子与反质子也是这样。那么中子与反中子的性质有什么差别？其实粒子实验已证实，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。这里我们讨论一下重子数的概念。

质子与中子被统称为核子。人们从核现象的研究发现，质子能转化为中子，中子也能转化为质子，但在转化前后，系统的总核子数是不变的。50年代起的粒子实验表明，还有很多种比核子重的粒子，它们与核子也属同一类，这类粒子于是被改称为重子，核子仅是其最轻的代表，一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化，系统中的重子个数是不会改变的。

由于重子数的守恒性，两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的，那么反核子应当怎么产生？实验表明，反核子总是在碰撞中与核子成对地产生的。例如

p+p → N+N+N+N'+若干 π介子

其中N代表质子或中子，N'代表反质子或反中子。反核子一旦产生，它常很快与周围的某个核子再相碰而咸对地湮灭。例如

N+N' → 若干 π介子

对于比核子更重的重子，情况完全一样。反重子也总是与重子成对地产生，成对地湮灭的。这些经验使人们认识到，重子数的守恒规律需要重新认识。

现在人们把重子数B当作描述粒子性质的一种荷。正反重子不仅有相反的电荷，而且也有相反的重子数B。令任一个重子都具有重子数B=+1，则任一个反重子都具有B=-1。介子、轻子和规范子等非重子不具有重子数，即它们有B=0。重子数的守恒规律可表述为：任何粒子反应都不会改变系统的总重子数B。这表述既反映了不涉及反粒子时的重子个数不变，也概括了反粒子与粒子的成对产生和湮灭。现在我们容易理解中子和反中子的区别了，它们具有相反的重子数B，因此反中子能与核子相碰导致湮灭，而中子则不能。

此外，人们还类似地发现了轻子数的守恒性。中微子虽不带电，也不具有重子数，但它与反中微子具有相反的轻子数。按轻子数的守恒性，中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的，实验还表明，介子数和规范粒子数是不具有守恒性的。这样我们看到，电荷只是粒子的一种属性，另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性。正反粒子的这些属性也都是相反的。

1928年，英国青年物理学家狄拉克从理论上论证了正电子的存在。这种正电子除了电性和电子相反外，一切性质和电子相同。1932年，美国物理学家安德逊在实验室中发现了狄拉克所预言的正电子。1955年，美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质子。此后人们逐渐认识到，不仅质子和电子，所有的微观粒子都有各自的反粒子。

这一系列科学成果使人们日渐接近反物质世界。然而问题并不那么简单。首先，在地球上很难发现反物质。因为粒子与反粒子碰到一起，就像冰块遇上火球一样，或者一起消失，或者转变为其他粒子。所以在地球上，反物质一旦碰上其它物质就会被兼并掉。其次，制造反物质相当困难而且耗费巨大，需要如SSC或LHC之类的高科技仪器，并且即使制造出反物质，也难以保存，因为地球上万物都有物质构成。

我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成。因此，这样的物质被称为正物质，由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质。从粒子物理的角度讲，正粒子和反粒子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质，而却几乎没有反物质呢？这正是我们现在要讨论的问题。