反物质（Antimatter）是粒子物理学中的概念，最早是反粒子概念的延伸，与我们日常生活中接触到的所有物质都有着本质上的区别。相对于我们见到的普通物质是由普通粒子构成，反物质则是由反粒子构成的，例如一颗反氢原子是由一颗反质子和一颗反电子（也叫正电子）形成的。

反物质

插句题外话，很多人刚看到这里就会觉得有点奇怪，为什么反电子又叫做正电子呢？正反两字分明是反义词，怎么会代表同一种东西呢？其实很好理解，反电子和正电子都是相对于我们自然界中的电子而言，反电子突出能量性质与电子相反，所以叫做反电子；而正电子突出带电性本身，正电子带正电荷，而电子则是带负电荷。（自然界中带正电荷的叫做质子，是原子核的组成粒子之一。）

正反物质示意

继续收回来，反物质无法在人类世界的地球上被自然地发现，除非是某些特殊宇宙事件的发生，例如放射衰变和宇宙射线等现象。这是因为如果不在特定的人工物理实验的环境下，反物质会不可避免地与自然界的物质碰撞进而发生一个特殊的现象--湮灭。

湮灭现象示意

而在多次实验过程中，科学家们发现正反物质的湮灭可以分为两种情况：

在高能情况下，湮灭会生成其他基本粒子；

在低能情况下，正反电子湮灭主要生成两个或三个光子（有时也会生成更多光子）。

所以可以这么理解，在低能情况下如若发生大规模的湮灭，那么这个过程将会释放出剧烈的光线，要知道每个电子每次发生能级跃迁也只能释放一个光子。如果你手中的手机或者鼠标和同样大小由反物质组成的物体发生了湮灭，那么远在中国空间站上的宇航员们都会看到一团非常刺眼的光。

湮灭放射光线示意图

但是湮灭并不必然是在碰撞的一瞬间就立刻发生的。科学家们发现，电子和反电子在发生湮灭之前，有时会构成一种属于亚稳定的束缚态，形成电子偶素。电子偶素根据自身总自旋的不同分为单态和三重态，它们在真空中的半衰期依次为125皮秒（1ps=1×10^-12s）和142纳秒（1ns=1×10^-9s），也就是说，无论是单态电子偶素又抑或是三重态电子偶素，两者都只能维持非常短的一瞬间，就会进入不可逆转的湮灭。

目前物理学界一般通过发射高能光子，使其经过原子核附近时便可产生一对反电子，或者是利用放射性元素产生正β衰变，通过弱相互作用制得反电子。

接下来是喜闻乐见的故事环节

所以反电子是怎样被发现的呢？反电子这个概念的产生要推回到上世纪20年代末，但整个故事的起源还要再提早个30余年。

故事背景有相当强的时代特性，彼时的物理学界可以说是十分的混乱，各路大神云集，各类学说的产生过程也可称得上是神仙打架。19世纪末，物理学家们默契的把视线放在了微观物理上，大家研究搞到一半的时候，发现旧的经典理论根本无法解释微观系统，理论系统上完全没有突破。于是以普朗克、玻尔、海森堡和薛定谔等一众大神为代表的物理学天团就提出了量子力学这一革命性的理论。而又在将近不近的同时，爱因斯坦本人在1905年发表了著名的狭义相对论。

普朗克与爱因斯坦

虽说狭义相对论和初始的量子力学互有映照和关联，爱因斯坦还参照量子力学的观点提出了光的波粒二象性与光电效应以及相对应的方程（也就是我们现在用太阳能发电的理论基础）。

但是随着研究的继续进行，爱因斯坦站在了量子力学的绝对对立面（各种意义上）。量子力学与狭义相对论在各自学说上形成了很大的割裂。于是我们的主角：保罗·狄拉克站了出来。

保罗·狄拉克

这个保罗·狄拉克就是量子电动力学的奠基者，也是发明量子电动力学这个名词的人。说起他的故事，也许会有些戏剧性。出生于1902年的狄拉克最喜欢的科目是数学，但是他最后成为了世界著名的物理学家；他一直以来感兴趣想研究的是相对论，可是在导师拉尔夫·福勒（热力学第零定律提出者）的带领下，转头研究起了原子理论。从此他就走上了融合量子力学与狭义相对论的道路。

狄拉克和他的优美方程理念

不得不说狄拉克简直就是一个天才。时年23岁的狄拉克就发表了《量子力学的基本方程》这一博士论文。24岁博士毕业后，他在位于哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所发展出涵盖薛定谔提出的波动力学与矩阵力学的广义理论，还引入了自己发明的狄拉克δ函数去处理方程中连续的变数，同时他还创造了狄拉克符号，这一符号直至今日仍是使用最广泛的一套量子力学符号系统。

保罗·狄拉克出席1927年索尔维会议，位于第二排左起第五，有点C位内味儿了。

反电子理论的提出：

26岁的狄拉克年纪轻轻就已经是科学界中的大人物了，这一年的他提出了狄拉克方程，这是一个用来描述电子的相对论性的方程。但是问题出现了，这个方程有一个非常令人费解的地方，也就是存在着一个负能量解。

需要注意的是，在量子体系中，负能量解是应当被承认的，所以这个方程有着非常明显而且重要的意义。在当时不理解负能量解到底意味着什么的情况下，狄拉克大胆提出了一个预测，那就是必然存在着电子的对立面，也就是--反电子。

反电子与电子

狄拉克为这个负能量解创造性的提出了“狄拉克之海”一说。他认为“狄拉克之海”是一个充满了无限多的具有负能量的粒子态的真空模型。一开始，狄拉克认为质子可以成为狄拉克之海里的岛，使得电子可以在质子中实现正能量态与负能量态之间的跃迁。

但是这个设想被术业有专攻的原子弹之父：罗伯特·奥本海默提出了强烈的反对，我们的原子能专家奥本海默告诉狄拉克，如果他的假想成立，那么任何一个氢原子将会在形成的一瞬间就自爆，连氢都不存在，那世界上根本就不会有任何一种元素了。

于是承认错误的狄拉克设想了反电子，认为一个个反电子是狄拉克之海之中的一个个洞。在狄拉克之海的理论中，反粒子虽然不能被观察到，但是它们实际上存在，而且与物质共生，整个宇宙都漂浮在狄拉克之海之上。

狄拉克之海

虽然由于电荷对称性破坏和宇称对称性破坏（即CP不守恒）的提出，狄拉克之海的设想被证实是错误的，但是反电子确实被真切的观测到了。

1932年，美国物理学家卡尔·戴维·安德森在著名物理学家密立根的指导下，研究宇宙射线时，在射线穿越威尔逊云室的轨迹中发现了一种质量与电子相同，但是带有正电荷的新粒子，也就是反电子，这一发现让他获得了1936年的诺贝尔奖。

但是事实上最早发现反电子的另有其人，而且必定会让很多国人感到失望，因为那个人正是我国的两弹一星元勋--赵忠尧教授。

赵忠尧教授师从密立根大师，密立根也就是那位通过油滴实验准确测量单电子电荷、通过光电方程测定普朗克常数的物理学家。

在1929年，还是博士生的赵忠尧就在观测γ射线通过量子物质时发现了“反常吸收”，这个现象实际上是由于正反电子对湮灭的过程导致的，可以说在此次实验中是人类第一次发现反电子并做出了实验记录，但由于彼时的赵忠尧教授的实验方向主要在于硬伽马射线的散射，没有立刻意识到实验中的现象是由于反物质导致的，这让他与华人第一块诺贝尔奖擦肩而过，实属可惜。

额外内容：

对于反电子，科学界还有这这样一种声音。理查德·费曼与厄恩斯特·斯蒂克尔堡认为反电子实质上就是逆时间而行的电子，因为其逆时间而行的特性，决定了它的电荷为正电荷。而后续的科学家例如约翰·惠勒以及日本的南部阳一郎则将这个理论继续延展下去：所有电子都存在于有自相互作用的复世界线上，实验中可见的粒子创生与湮灭实际上并不是客观意义上的创生与湮灭，而是移动中的粒子改变了方向，从过去到将来，或是从将来到过去。这种解释也是比较玄幻了，笔者认为关于当下的物理学界关于时间上的解释，还有待热力学上的发展，所以对此也不予多评价。

抛开玄而又玄的不谈，现实中的反物质在如今的科学界已经得到了很深层次的应用，世界各地的对撞机都可以通过正反物质的对撞去进行科研，科学家们试图在正反粒子的高能湮灭中寻找搜寻更多新粒子，并且研究其物理特性。相信在可期的未来，通过世界各地科学家的共同努力，反物质的存在一定能为人类解开更多基础科学的谜团，带来科学的重大突破！