1898年的假期，英国曼彻斯特大学的物理学教授阿瑟·舒斯特在《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”。舒斯特设想了一些反物质可能存在的性质，但是那毕竟是1898年，电子才被发现一年，而早期粒子物理的主要研究对象——放射性射线还没有被发现。当时人类对于微观世界的认知非常的有限，舒斯特对于反物质的想象有些天真，所猜测的反物质的性质也有一些后来被证明不对的地方，所以他的假设仅仅停留在了想象阶段。

这篇短文大概是“反物质”这个概念第一次出现在顶尖学术杂志上，带着科学家的希冀，但更多的，更像是一种谨慎的试探。舒斯特在文章的最后问道：Do dreams ever come true? 这个梦想能会成为现实吗？舒斯特大约是故意使用一种调侃式的文笔写了这篇文章，毕竟，“反物质”这个观点在当年可以说是疯狂。

​阿瑟·舒斯特在1898年发表的文章《潜在的物质——一个假期里的梦想》

然而舒斯特是幸运的。仅仅在三十多年后，真正的反物质就露出了端倪。

1928年，一个年仅26岁的年轻人保罗·狄拉克写下了电子量子理论的方程式， (i\gamma^\mu\partial_\mu-m)\psi=0，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，  E=\pm \sqrt { \vec{p}^2+m^2} ，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。

保罗·狄拉克

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。

一个数字华容道游戏。游戏中缺失的木块就像是一个电子“空穴”，也就是狄拉克认为的反物质粒子。

而理查德·费曼和厄恩斯特·斯蒂克尔堡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。就像好莱坞导演克里斯托弗·诺兰拍摄的电影《信条》里描述的那样，当人类向着时间的正方向运动时，人类看到的向着时间反方向运动的物体，就会产生一种左右颠倒、电荷相反的感觉。

理查德·费曼

狄拉克和费曼等人的两种解释虽然看起来十分不同，但是实质都是在描述一种带有正能量的电子的反粒子，也就是所谓的正电子。狄拉克方程预言，舒斯特假想的“反粒子”可能是存在的。

英国伦敦西敏寺内的狄拉克墓碑。碑上就刻有狄拉克方程。

1930年，在海外留学的华人科学家赵忠尧在观测硬γ射线通过重元素时的散射现象时，发现了一种反常吸收和特殊辐射现象。他观测到一些物质在经过被硬γ射线撞击之后，会朝着不同的方向辐射出一个能量为0.5MeV的γ光子，而0.5MeV的能量恰好对应了一个电子的质量。后来的研究表明，赵忠尧观测到的反常吸收效应其实是由于部分硬γ射线经过原子核附近时，在真空中激发出了一对正反电子，而特殊辐射现象则是正电子与电子相遇时湮灭，释放出的一对光子。很可惜，赵忠尧在当时没能意识到，这是人类历史上第一次观测到了一对正反物质粒子的产生与湮灭。

赵忠尧

1932年，赵忠尧在美国时的同事、物理学家卡尔·安德森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”，这也是人类第一次认识到反物质。

​安德森观测到的正电子在云室中留下的轨迹的照片。正电子从下往上运动，在磁场中穿过一层薄薄的铅板之后，改变了轨迹弯曲的曲率。轨迹弯曲的方向表明，正电子与正常电子所带的电荷相反。

四年之后，同样是安德森，在观测放射源发出的射线轰击铅板的产物时，发现了一个光子变成一对正负电子的事件，这证实了赵忠尧当年的发现是人类最早的反物质的证据。正电子的发现也为他带来了1936年的诺贝尔物理学奖。

​卡尔·安德森的诺贝尔奖演讲《正电子的产生和性质》

我们知道，原子是由质子、中子等核子所构成的原子核，以及核外运行的电子所构成的。仅仅是电子的反粒子还不能稳定的构成反物质，如果想要真正构建出反物质，同样需要质子、中子的反粒子。

1959年，在美国劳伦斯-伯克利国家实验室的十亿电子伏特质子加速器（Bevatron）上，科学家第一次制备出了反质子。1965年，在欧洲核子研究中心的质子同步加速器（Proton Synchrotron）上，科学家第一次制备出了由一个反质子和一个反中子组成的反氘核。1995年，在欧洲核子研究中心的低能反质子环实验（LEAR，Low Energy Antiproton Ring）上，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。

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（Bevatron）

其实，在粒子物理学家看来，生产反物质并不十分困难。在欧洲核子研究中心的粒子对撞机中，每秒都可以有数千万次高能粒子对撞，在这个过程中，每秒钟都能产生数亿个反物质粒子，每一个反物质粒子都以接近光速的速度运动。然而，关于反物质真正困难的是将接近光速运动的反物质粒子降速和储存。因为我们世界中所有的一切都是由物质组成的，而反物质与正物质相遇就湮灭的特性决定了，科学家不能以任何物质组成的容器来盛载反物质，因此科学家们能够操控反物质的就只有像磁场、激光这样的技术了。位于欧洲核子研究中心的反氢激光物理装置实验（ALPHA，Antihydrogen Laser Physics Apparatus）利用精准的磁场和激光，成功将反粒子降速、组装成了反氢原子，并使得反氢原子存在超过1000秒。而到现在，人类已经在实验室里产生了数亿个反氢原子。

位于欧洲核子研究中心的反氢激光物理装置实验（ALPHA，Antihydrogen Laser Physics Apparatus）

我们知道，原子弹是一种能量巨大的武器，这种武器利用的物理学原理是爱因斯坦提出的质能方程，E=mc^2 ，也就是说，原子弹在爆炸的一瞬间会将一部分物质转化成能量从而释放出巨大的威力。那么原子弹爆炸的过程中将多少核燃料的物质转化成能量了呢？只有大约千分之一。而反物质与正物质湮灭则能做到100%的质量转换成能量，因此，反物质的能量存储效率远远超过了人类任何常用的燃料，因而常常被科幻作家认为是未来星际航行最理想的动力来源。前文提到，人类为了产生反物质建造了精密而巨大的实验装置，这些实验装置的建造与运行花费了上亿美元，然而在这样巨大的投入下，人类历史上产生的数亿个反物质氢原子总量全部加起来也还不到一条人的染色体的质量，这就使得反物质成为了人类有史以来制造出来的最昂贵的物质。有人计算过，目前想要人工产生1克的反物质原子，人类需要付出的成本高达数百万亿美元，与全球一年的GDP总量相当。

科幻作品《星际迷航》中的利用反物质作为燃料的宇宙飞船“企业号”的艺术构想图

那么，在地球上如此昂贵的反物质粒子，在宇宙中是否存在呢？前文提到，在实验室中，可以利用高能粒子对撞的形式产生反物质粒子。而在宇宙中，有大量的星体可以产生高能宇宙射线，而这些剧烈的反应同样也有机会产生反物质粒子射线。然而，这些反物质粒子在宏观的物质宇宙中一旦遇到正物质粒子，很容易就互相湮灭，因而难以稳定存在。

写下狄拉克方程、预言了反物质存在的保罗·狄拉克因为狄拉克方程而获得了1933年的诺贝尔物理学奖。当年，狄拉克在他的诺贝尔奖演讲《电子和正电子的理论》的结束语中，说到：

如果我们接受了正电荷与负电荷关于基本自然规律完全对称的观点，我们必须接受地球（以及整个太阳系）主要由负电子和正质子构成只是一个巧合。很有可能有一些星体正好相反，是由正电子和负质子构成的。事实上，宇宙中这两类星体可能各占一半。这两类星体应该展现出完全相同的光谱，以至于我们现有的天文观测手段完全无法将它们区分开来。

而宇宙中是否真的存在宏观的反物质结构呢？事实与狄拉克的猜想大相径庭。目前按照人类的认知来说，没有。因为，我们已知的太阳系、银河系，乃至更广阔的宇宙结构都是正物质构成的，如果在这样一个正物质宇宙中存在宏观反物质结构，那么正物质结构和反物质结构之间应该会有一个边界。在这个边界上，一定会有大量的正反物质粒子互相湮灭，持续释放出巨大的能量，这些能量甚至足以照亮夜空中的一个区域。然而人类观测到的宇宙中并没有这样的边界存在，因此科学家们由此依据可以断定在人类可认知的宇宙中不存在宏观的反物质结构。

詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄到的首张宇宙深场照片。在人类对宇宙的观测中，并没有发现宏观的正反物质的边界

事实真的是这样吗？假设宇宙中正反物质的边界上存在宽阔的真空带，宇宙中大尺度反物质结构不会与正物质湮灭，那么我们在地球上就无法直接判断观测到的遥远宇宙深空中天体是正物质还是反物质组成的了，因为正如狄拉克所说的那样，正反物质的光谱应该是一样的。但是，宇宙为我们送来了来自宇宙深空的“信使”，那就是宇宙射线。通过宇宙射线，我们可以了解我们的宇宙中是不是还存在反物质区域。

我们可以在地球的表面上接受的到来自宇宙深空的宇宙射线，科学家们也在地球表面建立了很多探测宇宙射线的实验，并且真的在宇宙射线中观测到了大量的反物质粒子。那么，这些反物质粒子是从宇宙深处来的吗？

宇宙射线达到地球大气层时产生的簇射的模拟图

我们知道，地球的表面周围有一层大气层。虽然大气层里看似空洞无物，但事实上大气中充斥着各种各样的气体分子。来自宇宙的高能宇宙射线在通过大气层的时候，不可避免的会和大气中的气体分子产生撞击，并通过一些高能反应产生新的粒子，这些粒子中既有正物质粒子，也有反物质粒子。所以，在地球表面所接收到的反物质粒子并不能说明宇宙射线本身就来自于反物质。

那么，怎样才能排除大气层的影响对宇宙射线进行观测呢？方法很简单，那就是去太空观测。1995年，华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中提出了在太空建立一个探测暗物质和反物质的粒子探测器的计划。

1998年，丁肇中带领的团队完成了第一版太空探测器的设计，并把这个探测器命名为阿尔法磁谱仪（AMS-01），并在当年6月份由发现号航天飞机送上了太空。

在航天飞机背部的AMS-01

AMS-01在太空上探测了氦原子核以及它的反粒子的数量。因为氦原子核相对比较复杂，如果发现了它的反粒子，那几乎不可能由正物质，通过核反应产生的，因此如果反氦原子核被发现，就可以作为宇宙中存在宏观的反物质结构的证据。但是，AMS-01的结果发现，宇宙空间里的射线中氦原子核有非常多个，但是反氦原子核一个都没有。

AMS-01收集到的正反氦原子核数据的对比图

为了更进一步的研究宇宙中的暗物质和反物质，丁肇中带领的团队又研制出了AMS-01的进化版，AMS-02。这一次，丁肇中的团队不仅将它送上了太空，还安置在了国际空间站上，这样就能长久的在宇宙空间中收集数据了。从2011年5月AMS-02被安置到国际空间站上至今，它已几乎连续收集了近十年的数据。然而，AMS-02的数据仍然表明，宇宙中没有宏观的反物质结构存在。

在国际空间站上的AMS-02

那么，这样的观测事实就与狄拉克的假设矛盾了：正反粒子似乎真的并不“完全对称”。

那么，正反物质之间究竟有多么的不对称呢？

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，均匀并别各向同性的纯能量状态，这个状态被称为奇点。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暴胀的过程，在这个暴胀的过程中，基本粒子被创造了出来，纯能量转化成了大量高速运动的粒子－反粒子对，而粒子－反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭，因此宇宙中此时的粒子和反粒子的数量相等。这时的宇宙就像是一锅充满了夸克和胶子以及其他基本粒子的汤。此时某一种机制导致了夸克和反夸克的数量出现了细微的差异，随着宇宙进一步的膨胀和冷却，夸克和胶子逐渐组成了像是质子和中子这样的粒子。由于此时宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子－反质子对或中子－反中子对，原先产生的正反粒子对大量的湮灭，通过对重子数目和光子数目的比值进行研究发现，在这个过程中只有大约占原先数量十亿分之一的正物质质子和中子被留了下来，而对应的反物质粒子则全部湮灭殆尽。而现在宇宙中一切的一切，都是由那场湮灭中仅剩的十亿分之一的正物质组成的。

而这份不对称是怎么来的呢？

科学家们假设，每一个正物质重子都带有+1的被称为“重子数”的量子数，而每一个反物质重子都带有-1的重子数。那么在宇宙大爆炸之初，宇宙的重子数总数应该是0，因为此时正物质与反物质数量应该相等。而现在的宇宙，重子数则是一个正数。那么如今产生正反物质的不对称的过程就可以等价为破坏重子数守恒的过程，或者说，是重子数产生的过程。

前苏联的氢弹之父、物理学家萨哈洛夫（Andrei Sakharov ）提出了重子数产生所需要的三个条件，分别是：

（1）：存在一个破坏重子数守恒的过程。

（2）：存在破坏“电荷共轭变换”（C）不变性和“电荷共轭－空间反演联合变换”（CP）不变性的相互作用。

（3）：（1）和（2）应该发生在偏离热平衡的状态。因为如果宇宙处于热平衡状态，那么重子数的平均值会保持为不变，即为0。

目前科学家对（1）过程的探索的一个主要途径是探测质子衰变，而代表性的实验是位于日本的神冈/超级神冈实验，就是在一个巨大的地下一千米以下的深井中布满探测器，再向里面灌了多达五万吨的超纯水，然后探测水中质子的衰变。然而，几十年的研究过去了，科学家们还没有收集到哪怕一个质子衰变的事件。因此，质子的寿命也被认为是在一亿亿亿亿年以上。相比之下，宇宙的寿命只有一百多亿年，质子的寿命远超宇宙的寿命。所以，破坏重子数守恒的过程仍然需要科学家们的探索。

位于日本的超级神冈探测器

而对于（2）过程的探索则主要依靠对撞机实验，比如位于日本的Belle实验和位于欧洲核子研究中心的LHCb实验。这些实验已经取得了很多进展，并且已经发现了很多种粒子的在弱相互作用下发生的“电荷共轭－空间反演联合变换”的对称性破坏（CP violation）过程。但是，这些CP violation过程的程度仍然远小于产生目前宇宙中正反物质不对称程度的需求，因此，科学家们认为，一定还有另外的新物理的过程会导致CP violation。

​位于欧洲核子研究中心的LHCb实验

因此，科学家对于“为什么物质比反物质多？”这一问题仍然在探索之中。不论是对重子数守恒的破坏的研究结果，还是对“电荷共轭－空间反演联合变换”对称性的破坏的研究结果，都没有达到能解释如今宇宙中正反物质不对称的程度。但是，有越来越多的理论正在尝试解释这一现象，而未来也需要科学家去设计更精妙的实验去验证那些理论。