什么是反物质？

NASA 航天器探测到由地球大气中的雷暴释放的反物质爆发

反物质与普通物质一样，只是它带有相反的电荷。例如，带负电荷的电子具有称为正电子的反物质伙伴。正电子是与电子质量相同但带正电荷的粒子。

没有电荷的粒子，如中子，通常是它们自己的反物质伙伴。但研究人员尚未确定神秘的中微子微粒是否也是它们自己的反粒子，它们也是中性的。

虽然听起来像是科幻小说中的东西，但反物质是真实的。反物质是在大爆炸之后与物质一起产生的。但是反物质在今天的宇宙中是很罕见的，科学家们也不确定为什么。

反物质在哪里，反物质又是如何制造的呢？

人类在大型粒子加速器（例如位于日内瓦郊外并由 CERN（欧洲核研究组织）运营的大型强子对撞机）上使用超高速碰撞创造了反物质粒子。欧洲核子研究中心的几项实验创造了反氢元素，即氢元素的反物质孪晶。迄今为止产生的最复杂的反物质元素是反氦，即氦的对应物。

也有自然产生的反粒子在整个宇宙中零星地制造。但是当物质和反物质相遇时，它们会相互湮灭并产生能量，这意味着在像我们这样以物质为主的宇宙中，反物质不会保留很长时间。

反物质也是宇宙为何存在之谜的核心。在大爆炸之后的最初时刻，只有能量存在。随着宇宙的冷却和膨胀，物质和反物质的粒子都产生了。科学家们以极高的精度测量了粒子和反粒子的特性，发现它们的行为相同。因此，如果反物质和物质的数量相等并且它们的行为相同，那么在时间开始时产生的所有物质和反物质都应该在接触时湮灭，什么都没有留下。

为什么物质会支配反物质是一个重大谜团。

一种理论认为，在宇宙开始时，产生的物质比反物质多，因此即使在相互湮灭之后，仍有足够的物质形成恒星、星系，最终形成地球上的一切。差异会非常小。据 Space称，只有不到 10 亿分之一的普通粒子能够在混乱中幸存下来并继续形成我们今天周围的所有物质。

如果中微子——一种几乎不与其他物质相互作用的微小、幽灵般的粒子——实际上是它自己的反粒子，那可能是解决这个问题的关键。在这个理论中，在时间开始时，一小部分中微子能够从反物质转变为物质，这可能会在宇宙开始时造成轻微的物质不平衡。实验试图确定中微子是否是它自己的反粒子，但到目前为止，它们还没有定论。

预测与诺贝尔奖

英国物理学家保罗狄拉克在 1928 年预测到反物质，同时试图将描述亚原子粒子的量子力学与爱因斯坦的相对论结合起来。狄拉克正在寻找一个方程的解，该方程描述了一个电子以接近光速的速度运动。“就像方程 x^2 = 4 可以有两种可能的解（x = 2 或 x = 负 -2）一样，狄拉克方程也可以有两种解，一种用于具有正能量的电子，另一种用于具有负能量的电子，”。

起初，狄拉克对分享他的发现犹豫不决。但最终，他接受了它们，并说宇宙中的每一个粒子都应该有一个镜像粒子，它的行为与它相似，但带有相反的电荷。

几年后，美国加州理工学院的物理学家卡尔·安德森发现了正电子，他当时正在研究来自太空并撞击地球大气层的高能宇宙射线，产生大量其他粒子。在他的探测器中，安德森目睹了一些与电子质量相同但带正电荷的东西。据美国物理研究所称，《物理评论》杂志的一位编辑建议将粒子命名为正电子。

由于他们在这一发现上的工作，狄拉克和安德森获得了诺贝尔物理学奖——1933年狄拉克和 1936 年安德森。

反物质宇宙飞船？

因为将物质和反物质放在一起会产生能量，工程师们推测反物质驱动的航天器可能是探索宇宙的一种有效方式。

美国宇航局研究了使用反物质驱动飞行器飞往火星的可能性，但这个想法有一些缺点。最大的一方面就是，它真的很贵。

“使用目前正在开发的技术，生产人类火星任务所需的 10 毫克正电子的粗略估计约为 2.5 亿美元，”，成本可能看起来很高，但将某些东西送入轨道仍然需要大约每磅 10,000 美元，因此一艘大型宇宙飞船及其载人航天器的发射成本也很高。

最近，美国宇航局的研究人员研究了利用物质-反物质碰撞产生的能量向最近的恒星系统 Alpha Centauri 发送探测器的可能性。碰撞中的能量将使飞船加速到光速的 10%，然后自身减速到足以探索半人马座阿尔法星，这可能需要几十年。