物质与反物质（什么是正物质和反物质）

什么是正物质和反物质？

我们生活接触的常见物质叫正物质它们不会相互接触后发生涅灭反应若与我们常见的物质接触则要发生涅灭反应的物质就叫反物质。

其可不带电可带正电也可带负电。

如正电子就是反物质。

因其可与组成原子的电子发生涅灭反应（电子占了我们生活中的绝大部分正电子很少）。

反物质和正物质有啥区别在未来能否改变人类的能源结构？

反物质是宇宙中最神秘的物质。首先由保罗·狄拉克的波动方程所预言1932年8月2日安德森在云雾室中首次发现了正电子的踪迹。随着反中子和反质子的发现人们才开始意识到任何物质都有自己的反版本。

那么什么是反粒子呢？和粒子有啥区别

我们知道正物质都是由原子组成的而原子又是由质子、中子和电子组成的。

而标准模型中每一个存在的粒子无论是基本粒子如夸克、电子或光子还是复合粒子如中子或质子都有一个反粒子！

那么在宇宙中为何会诞生反物质呢？因为在宇宙早期高能光子相撞就会诞生成对的正反粒子然后正反粒子又湮灭把能量归还给宇宙在高能粒子对撞机中也是这种情况要想制造出物质粒子必然会出现等量的反物质粒子。

那么宇宙为何最后选择了正物质也就是为何正反物质的量不对称这就是另外一个话题了也是目前是物理学的第一大谜题。但也有很多猜想但都是超出标准模型中的粒子所能解释的范畴。例如：存在违反重子数守恒的相互作用存在严重破坏cp对称的粒子等等。

在很多方面反粒子和普通粒子是一样的。它们有同样的质量同样大小的电荷同样大小的自旋如果正粒子是一个不稳定的粒子那么反粒子也有同样的寿命。

但是正反粒子也有一些非常重要的区别！例如正反粒子的电荷符号是相反的。如果一个粒子带正电荷（就像质子）它的反粒子（反质子）就会带负电荷。中微子和反中微子作为另一个例子它们的螺旋（或自旋或固有角动量）方向相反。

但如果一个粒子和它自己的反粒子相遇最大的问题就来了。

当一个粒子与它自己的反粒子碰撞时会发生湮灭并通过爱因斯坦著名的E = mc^2将全部转化为纯能量产生两个超高能量的光子。

我们人类目前获取能量的方式

对我们来说反物质是宇宙中最有效的能源。在我们日常生活中无论你干什么哪怕是坐着不动也需要消耗能量。

无论你是想给汽车提供动力还是想发射火箭宇宙飞船还是想去散步都需要能量。我们现在使用的这些能量从何而来？不管你是汽车、火箭还是人以下这种方式都是我们人类目前的能量来源。

它就是普通的原子。在原子中围绕原子核旋转的电子储存着化学能。当电子处于较低的能量结构时原子就会释放能量这就是从火箭燃料到TNT到克雷布斯循环再到燃烧镁的过程所释放的能量这些能量由原子和分子键提供。

但是通过原子中电子的跃迁所释放的化学能效率低得可怕。如果我把10万吨的火箭燃料带上一艘飞船即使是有史以来最好的火箭燃料也只能把其中大约0.5吨的燃料转化成能量剩下都是废气。

然而到目前为止这就是我们人类给火箭和航天器提供动力的方式。飞不远是正常的因为用的是最低级的获取能量的方式。

但是如果我们想要到达另一个星系想要星际旅行我们必须改变获取能量的方式。一个比化学能更好的方式。看下图：

太阳！我们的太阳不是使用化学能源而是依赖核能！核聚变将较轻的元素融合成较重的元素（如太阳）核裂变将较重、不稳定的元素分裂成较轻、较稳定的元素（如核弹或发电厂）两者的效率都远高于任何形式的化学能。

效率提高了多少？如果有10万吨的氢气把这10万吨的氢全部融合成氦有多少质量会变成能量又有多少会变成氦废料？我们将通过E=mc^2得到大约700吨的能量这个能量很多但是仍然有99300吨的核废料。总而言之0.7%的效率并不高。

反物质在未来能否改变人类的能源结构

下面就是反物质的作用。当我们梦想星际飞行的时候我们就需要有一个完美的能量来源。如果在飞船上带上10万吨的燃料其中5万吨的氢气和5万吨反氢气我们就能将所有的质量转化为能量10万吨的能源没有任何一点浪费。

这就是在未来反物质能给人类带来的希望。

但是我们离制造5万吨的反物质还有很长的路要走但反氢原子是我们能制造的最轻、最稳定的反物质。在理论上反氢原子可以存储任意的量在时间上想存储多久就存储多久。

目前有个事实在1955年首次发现反质子以来欧洲核子研究中心的低能反质子环和费米实验室总共产生的反物质量还不足百万分之一克。

所以现在就开始考虑大规模的实际应用还为时过早但这也是未来人们长期发展的动力。

据说宇宙在最初时刻产生了等量的正物质和反物质那么反物质都跑到哪里去了呢？

宇宙形成之初物质与反物质的量是相同的但后来因为弱作用的宇称不守恒效应或者其他对称性破缺机制导致了反物质的量比物质略少二者湮灭后就只留下少量的物质了这就是我们今天对物质的量的观测的结果。

现代物理学中一个突出的问题是物质多于宇宙中的反物质。作为整体宇宙似乎具有正的重子数密度而非零——也就是说宇宙里基本上是物质而非反物质——这里要排除在大爆炸之后由其他作用生成的反物质。

由于宇宙学假设我们看到的粒子是以如今测得的物理常量和定律来演化的因此通常预期宇宙整体的重子数应该为零因为物质和反物质应该等量产生然后相互等量湮灭。但现实与此假设相悖。[头条·小宇堂—未经授权严禁转载]

这导致了许多对称性破缺机制的提出这些机制在某些条件下会有利于产生“正”物质（而非反物质）。这种不平衡性非常微小在大爆炸之后的每10000000000 (10^10)个粒子中只会发生一次。在大部分物质和反物质湮灭之后当前的宇宙中就剩下的就全是重子物质以及大量的玻色子。

上图：物质和反物质基本上都湮灭干净了只有微小的差异。us那个点的位置示意了这种非对称性。

然而2010年在费米实验室的实验似乎表明这种不平衡比以前假设的要大得多。在涉及一系列粒子碰撞的实验中产生的物质的量比产生的反物质的量大约1％。这种差异的原因尚不清楚。

大多数大统一理论明确地打破重子数对称性来解释这种差异。这种对称性的破缺通常会引发由非常大质量的X玻色子或大质量的希格斯玻色子介导的反应。这些反应的发生速率在很大程度上取决于中间体——大质量玻色子和大质量希格斯玻色的质量。因此如果认同这些反应就是今天看到的大部分重子产生的根源那么可以计算出此两种粒子的质量上限若高于该质量上限暗示反应速率太低则无法解释今天物质的存在（于是可以在对撞机中求证或观测反例）。这种估计预测了大量的物质偶尔会表现出自发的质子衰变现象（目前尚未观察到）。[头条·小宇堂—未经授权严禁转载]

关于物质起源有两个主要的理论：

一是电弱重子起源（标准模型）它发生在电弱时期（宇宙大爆炸初期电磁力和弱力分离的时期）。李政道与杨振宁发现的弱作用下的宇称不守恒现象及是这种起源的关键。注：宇称,通俗的说就是镜像对称（下图生动地描绘了一个粒子衰变过程的在镜子中的不对称情况）。

上图：大家来找找茬发现什么异样了吗？镜子里面出现不正常的情况了（注意自旋手性的箭头）这就是弱作用下（通常在重子衰变时）的对称性破缺的情况的示意。每次弱作用发生都产生了一对不对称的粒子那么就无法保持重子守恒了。

上图：宇宙大爆炸各种物质粒子的形成历史物质的量超过反物质的不对称事件可能就发生在大爆炸之后10^−36秒的时刻。

其次是大统一理论的重子起源诠释称重子起源发生在大统一时期或之后不久。

上图：大一统理论重子起源（即物质和反物质湮灭后剩下多余的物质）在图中由Baryogenesis标识出。这种不对称性可能是现今观察到的宇宙微波背景辐射中冷区和热区的差异的根源。[头条·小宇堂—未经授权严禁转载]

量子场论和统计物理学都用于描述上述机制。

总结：

留存到今天的物质相对于宇宙爆炸之初物质/反物质的生成量来说可以算是“痕量”了。这“侥幸”的“痕量”源于某种对称性破缺机制例如弱作用的宇称自发性破缺。自发性破缺的根源我们仍然不得而知但这个“谜”造就了我们现在看到的一切和包含我们自己在内的世界。