我第一次聽說反物質是因爲霍金的《時間簡史》,當時在書中看到過這樣一段描述：“任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子，也可能存在由反粒子構成的反世界和反人。所以如果你遇到了反你，注意不要握手，否則你們會在一個巨大的閃光中消失殆盡。”

爲了說清楚反物質，我們需要先從一位大佬說起，他就是著名的英國物理學家保羅·迪拉克。1928年，薛定谔方程剛剛發表兩年，26歲的迪拉克就在其基礎上提出了著名的迪拉克方程。

薛定谔方程有個大問題，就是它只適用于低速、低能量的粒子。它不符合狹義相對論的時空觀，而微觀粒子的速度往往都很快，甚至接近光速。所以，根據薛定谔方程計算出來的波函數其實是不太准確的。薛定谔方程整體形式爲動能加勢能等于總能量，其中動能的算式仍然是根據經典牛頓力學的動能動量關系推導得出。

但根據狹義相對論，粒子在高速運動時，其質量會隨著速度的增加而增大，動量就不再是簡單的靜質量乘以速度了。而是需要進行一個洛倫茲變換，此時粒子的動能、動量關系應該是這樣的。

而迪拉克方程就是考慮了相對論效應後的波動方程，這也是量子力學和狹義相對論的首次融合。

根據迪拉克方程所計算出來的波函數比薛定谔方程更加精確。但它有個非常反直覺的地方，就是這個方程解出來的能級竟然有負的。

在波爾原子模型中，電子存在于各個不連續的固定的能級之上，對應電子各個狀態的能量值。電子可以通過吸收和發射光子在這些能級之間完成躍遷。但實際上，波爾自己也不知道他說的這個能級到底是個什麽。後來薛定谔方程告訴我們，這些能級之所以存在，是因爲這個二階偏微分方程恰好就有這幾個本征值和本征函數。

而現在迪拉克方程竟然解出了負能級。但如果負能級真的存在，根據能量最低原則，世界上的電子都應該躍遷到負能級去才對。如果是一般人面對這種違反常識的解，可能會選擇舍棄，畢竟真實世界沒有任何義務必須要聽這個方程的。但堅定的迪拉克相信，既然方程有這個解，就一定存在著對應的真實物理意義。

爲此，迪拉克提出一種解釋：負能級的確存在，你之所以沒看見，是因爲所有的負能級都已經被電子給填滿了。根據泡利不相容原理，其他的電子就無法再跑到負能級上去了。這樣一來，我們所身處的這個物質世界，就像是漂浮在負能級電子的汪洋大海之中。于是人們就給它起了個名字，叫迪拉克之海。

那問題就來了，這個迪拉克海到底在哪呢？能否通過實驗觀測到它呢？迪拉克表示，這個迪拉克海其實無處不在，因爲它就是我們所熟悉的真空。按照迪拉克的解釋，真空並不空，它分爲兩部分：一部分是負能級，一部分是填滿負能級的電子。而既然是電子，那就可以發生躍遷。所以，如果我們向真空中發射能量足夠高的電磁波，那處于負能級的電子就有可能吸收電磁波，躍遷到正能級上去。此時真空就只剩下負能級了。由于電子帶負電而真空不帶電，于是真空中就會出現一個帶正電的空洞。那麽問題就來了，這個帶正電的空洞又是什麽呢？

既然是帶正電，那就肯定可以被實驗觀測到。一開始迪拉克猜測這個帶正電的空洞可能就是質子。但泡利和海森堡馬上就站出來說：“不對，根據你的理論計算，這個空洞的質量必須和電子相等，而質子的質量明顯比電子大太多了，所以它不可能是質子。”

1931年，迪拉克也承認了這個帶電的空洞不是質子，並給它起了個名字，叫做“反電子”。反電子的質量和電子一樣，而電荷相反。此時的反電子還只是一種理論上假想的粒子。它由負能級上的電子吸收電磁波，躍遷到正能級後産生。注意，由于躍遷是一個可逆的過程，所以電子還可以通過釋放電磁波再回到負能級上去。而這個正反電子合並，轉化爲真空和能量的過程就叫做正負電子的湮滅。

1932年，距離迪拉克提出正電子僅僅過了一年，27歲的美國物理學家安德森就通過威爾遜雲室發現了正電子。

所謂威爾遜雲室其實就是一個充滿了過飽和蒸汽的盒子。當有粒子穿過雲室時，粒子附近的蒸汽就會發生液化，從而看到粒子的運動軌迹。如果再加上一個外部磁場，就能根據粒子的軌迹判斷出粒子的電性。安德森通過拍攝宇宙射線穿過雲室後的照片，發現其中有幾條軌迹非常奇怪。這些軌迹的曲率說明它們和電子具有相同的質量，但是偏轉的方向卻和電子相反，說明它們是帶正電的。于是安德森給它們取了個名字，叫正電子。

後來他才知道，他所發現的這個正電子，其實就是之前迪拉克所預言的反電子。這是人類曆史上首次在實驗室中直接發現反物質。反電子的發現意義重大，以至于僅僅過了四年，安德森就因此獲得了諾貝爾物理學獎。

既然電子存在反電子，那構成原子核的質子和中子是不是也有對應的反物質呢？1955年，意大利物理學家賽格雷以及美國物理學家張伯倫通過加利福尼亞大學的質子同步穩相加速器觀測到了60個反質子。緊接著，1956年，該加速器的另外一個團隊又發現了反中子。我們知道，世間萬物都是由原子組成，原子又由電子、質子以及中子組成。而現在，他們對應的反粒子均已發現。這也就是說，理論上我們可以制造出任何元素的反物質。

說了這麽多，反物質到底有什麽用呢？首先是能源。前面提到，正反物質湮滅後會全部轉化爲能量，沒有一點殘留。根據愛因斯坦的質能方程E=mc^2，一克反物質湮滅相當于4.3萬噸TNT炸藥的威力，也就是三顆廣島原子彈的威力。相比之下，核聚變只能將1%至3%的質量轉化爲能量。因此，在正反物質湮滅面前，核聚變和燒汽油其實並沒有太大區別。如果想要讓飛船的速度達到接近光速，反物質推進器將是最好的選擇。但就目前來看，這依然還只是科幻層面。畢竟反物質的大批量制造和長時間保存仍然是個大問題。

1995年，歐洲核子中心的科學家通過讓反質子捕獲反電子的方式，成功制造出了世界上第一批反氫原子。由于反質子捕獲反電子的概率非常之小，無法大批量制造。當時總共也就制造出了九個反氫原子。一直到2000年九月才成功制造出了約5萬個低能狀態的反氫原子。

時至今日，絕大部分的反物質基本上都是先由粒子加速器撞出反粒子，然後再將其減速合成。此過程所需要的能量要遠大于湮滅所釋放出來的能量。據計算，僅僅制造一克反物質就需要大約25乘以10的15次方千瓦時的能量。然而，迄今爲止，人類制造出的所有反物質粒子加在一起也遠不到一克。即便讓所有這些反物質全部一次性湮滅，它們産生的總能量甚至都還不足以燒開一壺水。

同時，由于反物質一遇到正物質就會立刻發生湮滅，所以常規的容器都無法用來保存它。像反電子和反質子這種帶電的粒子一般是被保存在一種叫做彭甯離子阱的容器內。這些設備依靠電磁場讓粒子不與容器發生碰撞。而不帶電的反中子則需要保存在另外一種叫做亞普阱的容器內。從制造成本、存儲方式以及稀有度來看，反物質絕對是世界上當之無愧的最貴的物質。

另外有一個應用，其實我們已經在大規模使用。我們知道醫院裏有個裝置叫CT，其作用是通過X光照射人體進行掃描。而與它配合使用的其實還有個裝置叫PET，全名是正電子斷層照影。它通過向你的身體裏注入正電子，然後正電子會與你體內的電子發生湮滅，釋放出伽瑪射線。通過檢測這些伽瑪射線，我們就能構建還原出身體的圖像。

此外，生活中其實也充滿了反物質。比如說香蕉，一根香蕉平均每天都會釋放出15個正電子，因爲你的香蕉裏含有微量的鉀-40。而鉀-40會發生放射性衰變，同時釋放出正電子。同時，人體內也含有微量的鉀-40。

事實上，據目前觀測數據來看，我們所身處的這個宇宙中，主要還是由正常物質構成。至少在可觀測宇宙內是如此。如果反物質和正常物質數量差不多，那豈不是隨便飛來一小塊反物質隕石，地球就沒了。爲什麽宇宙中的反物質如此稀少，這也是如今宇宙中最大的謎團之一。不過雖然目前還無法完全解釋清楚，但也有了一些相關的設想。比如楊振甯和李政道提出的宇稱不守恒定律。該理論中的對稱性破缺給138億年前宇宙誕生之初正反物質數量出現的差異提供了一種解釋，同時也是量子場論的重要理論支撐。