在現代物理學中，反物質（antimatter）在粒子物理學中是反粒子概念的延伸，反物質是由反粒子構成的，如同普通物質是由普通粒子所構成的。正常原子由帶正電荷的原子核構成，核外則是帶負電荷的電子。但是，反物質的構成卻完全相反，它們擁有帶正電荷的電子和帶負電荷的原子核。反物質是正常物質的反狀態。當正反物質相遇時，雙方就會相互湮滅抵消，釋放出高能光子（γ射線）或是其他能量較低的正反粒子對，發生爆炸并產生巨大能量，湮滅所產生的粒子，賦予的動能等同于原始正反物質對的動能，加上原物質靜止質量與生成粒子靜質量的差，后者通常占大部分，湮滅產生的粒子與反粒子不僅電荷相反，其他一切可以相反的性質也都相反。
反物質無法在自然界找到，雖然有證據表明可觀測的宇宙幾乎完全由普通物質組成，而不是物質和反物質的等量混合物，但是因放射衰變或宇宙射線等現象中有少量暗物質瞬間存在后，與正物質相遇后湮滅，難以觀測到。在實驗室中科學家通過正子斷層照影等儀表產生正電子等方式觀測反物質，其中粒子加速器可以產生極少量的反粒子，但人工生產總量只有幾納克。
反物質的應用領域十分廣泛，如醫療、軍事和燃料等，但反物質的生產非常昂貴和困難，因此在應用中往往存在一些限制。此外，在操作和存儲反物質時，需要嚴格的安全措施，以避免意外釋放反物質產生的關鍵性能力。
定義
反物質（antimatter）在粒子物理學中是反粒子概念的延伸，反物質是由反粒子構成的，如同普通物質是由普通粒子所構成的，例如一顆反質子和一顆反電子（正電子）能形成一個反氫原子，如同電子和質子形成一般物質的氫原子。此外，物質與反物質的結合，會如同粒子與反粒子結合一般，導致兩者湮滅，且因而釋放出高能光子（伽馬射線）或是其他能量較低的正反粒子對。正反物質湮滅所造成的粒子，賦予的動能等同于原始正反物質對的動能，加上原物質靜止質量與生成粒子靜質量的差，后者通常占大部分。反物質有時也常被稱作“反地物質”。雖然保羅·狄拉克（Paul Dirac）自己沒有使用反物質這個術語，但是后來的科學家將反質子等粒子稱為反物質。
發展歷史
1898年曼徹斯特大學的物理學教授阿瑟·舒斯特（Arthur Schuster）在《自然》雜志上發表了一篇簡短的文章《潛在的物質——一個假期里的夢想》。他從電荷有正負，磁極有南北等現象談起，假設了原子也有一個潛在的對稱“伙伴”，并叫它“反原子”，而反原子組成的物質就是“反物質”。當時人類對于微觀世界的認知非常的有限，之后關于舒斯特對于反物質的性質的猜測也有一些被證明不對的地方，所以他的假設僅僅停留在了想象階段。
1928年，英國青年物理學家保羅·狄拉克從理論上首次論證了正電子的存在。這種正電子除了電性和電子相反外，一切性質和電子相同。他提出的電子量子理論方程式成功描述了電子在微觀世界的行為，并不帶矛盾地同時遵守了狹義相對論與量子力學兩者的原理。
理查德·費曼（Richard Feynman）和厄恩斯特·斯蒂克爾堡（Ernst Schlange）等人則對狄拉克方程的負數解有著不同的理解。他們認為，這個負數解是在描述一種向時間的反方向運動的粒子。
1932年，美國物理學家卡爾·安德森（Kyle Anderson）在實驗室中發現了保羅·狄拉克所預言的正電子。他在觀測宇宙射線穿過鉛板后在磁場中的云室里留下的照片時，發現這種“與電子很像，但是帶正電”的粒子，將其命名為“正電子”。這是人類第一次在實驗中觀測到反物質。
1959年，美國勞倫斯-伯克利國家實驗室的十億電子伏特質子加速器中科學家第一次制備出了反質子。
1995年，歐洲核子研究中心的低能反質子環實驗，科學家第一次將反氫原子核與核外的反電子“組裝”在了一起，制備出來第一個人造反原子。
2011年，中美科學家合作制造出了迄今最重的反物質-反氦4原子。
截至2023年，費米實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron）制造出的所有反質子加在一起只有15納克（十億分之一克）；而CERN制造的所有反質子加起來僅為1納克；德國的電子同步加速器（DESY）制造的正電子加起來大約2納克。2024年8月，中國科學院近代物理研究所等機構的科研人員參與RHIC-STAR國際合作實驗研究，首次在相對論重離子金金碰撞中觀測到一種新的反物質超核——反超氫-4，這是迄今實驗上發現的最重的反物質超核。相關成果于8月21日發表在《自然》雜志上。
符號
表示反粒子的一種方法是在粒子的符號上添加一個條形。例如，質子和反質子表示為和分別。如果通過粒子的組成成分來尋址粒子，則同樣的規則也適用。另一種慣例是通過正電荷和負電荷來區分粒子。因此，電子和正電子簡單地表示為e?和e+分別。但是，為了防止混淆，這兩種寫法絕不能混合使用。
反物質來源
自然產生
元素衰變和宇宙射線
少量反物質持續不斷地以宇宙射線和高能粒子的形式，降落在地球上，目前在國際空間站上運行的阿爾法磁譜儀（AMS-02）的初步結果表明，宇宙射線中的正電子到達時沒有方向性，能量范圍從10 GeV到250 GeV，這些反物質粒子到達大氣層的范圍1到100個/平方米，但其他反物質來源其實就近在咫尺，如香蕉也會產生反物質——它每75分鐘會釋放出一個正電子。之所以會出現這一現象，是因為香蕉包含有少量的鉀-40。鉀-40是鉀的天然同位素，會在衰變過程中釋放正電子。人體也包含有鉀-40，這意味著人體也會釋放正電子，由于反物質一旦同物質接觸，就會彼此湮滅，因此，這些反物質粒子轉瞬即逝。
人工制造
正電子
如圖所示的氟代脫氧葡萄糖是一種電子發射計算機斷層成像最常用的顯像劑，其正電子核素由回旋加速器產生一定能量的質子轟擊相對原子質量18的氧原子獲得。2008年11月，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）報道了正電子，通過激光驅動電子穿過金靶的原子核，導致進入的電子發射能量量子，衰變為物質和反物質，正電子被探測到的速率和密度比以前在實驗室中探測到的更高。
反質子、反中子和反核
1955年，加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家埃米利奧·塞格雷（Emilio Segrè）和歐文·張伯倫（Owen Chamberlain）通過實驗證實了反質子的存在，并因此獲得了1959年諾貝爾物理學獎。
1955年，美國勞倫斯-伯克利國家實驗室的十億電子伏特質子加速器中科學家第一次制備出了反質子。1956年，布魯斯·科克及其同事在勞倫斯伯克利國家實驗室的質子 - 質子碰撞中發現了反中子。除此之外，還產生了由多個結合的反質子和反中子組成的反原子核。
1995年，歐洲核子研究中心的低能反質子環實驗，科學家第一次將反氫原子核與核外的反電子“組裝”在了一起，制備出來第一個人造反原子。
反氫原子
在歐洲核子研究中心的低能反質子環（LEAR）進行PS210實驗的團隊于1995年制造了第一個反氫原子，在2002年，ATHENA和ATRAP兩個實驗生產了數萬個反氫原子，后來甚至產生了數百萬個。然而這個數量很小，10，000，000，000，000，000倍的反氫氣才能夠填充滿一個玩具氣球，如果按現在的產能估算，即使能將日常生產的原子儲存起來，也將耗費數十億年才能將氣球填充滿。
成本
目前反物質是由加速器產生的高能粒子打擊固定靶產生反粒子，再經減速合成的，此過程所需要的能量遠大于湮滅作用所放出的能量，且生成反物質的速率極低：僅僅制造1克反物質就需要大約千瓦時的能量。因此，從生產成本考慮，反物質是世界上最貴的物質。
反物質的成本制造反物質所需的能量大約是其最終包含的能量的10億倍，因此降低了反物質生產和儲存的效率。根據阿爾伯特·愛因斯坦質能方程，1克反物質含有:千瓦時因此，考慮到低生產效率，生產1克反物質需要近2500萬億千瓦時的電能，即使在電力的折扣價格下，生產1克反物質的成本也超過100萬億歐元。從經濟角度來看，這是不可行的，產生反物質的成本遠超其回報的價值。
保存
歐洲核子研究中心的雅典娜（ATHENA）項目已經能夠通過將正電子和反質子混合在一起來制造反氫，由于氫是電中性的，電子阱不能包含新形成的原子，這些原子會迅速漂移而湮滅，它們的速度非常快，所以不可能被困住。現在，作為雅典娜（ATHENA）的繼任者，ALPHA（反氫激光物理設備）項目已經通過開發一種使用頻率掃描技術非常溫和地將反質子驅動到正電子中的新方法，使捕獲反氫成為現實，它提供了足夠的極低能量的反氫原子，并且這些反氫原子很容易被捕獲。在設備中它們被振蕩電場推到一起，形成低能的反氫。雖然反氫是電中性的，但它確實具有磁矩，所以捕獲它們的關鍵是使用使用最先進的超導材料建造的新的α陷阱來產生磁場。理想情況下，這些陷阱非常有效，粒子可以儲存數月，并且儲存反粒子的世界紀錄是由歐洲核子研究中心的陷阱實驗保持的，這項紀錄中一個反質子在潘寧陷阱中被保存了57天。
相關理論
反粒子
正電子、反質子、反中子、反μ子、反τ子、反上夸克、反下夸克、反頂夸克、反底夸克、反魅夸克、反奇夸克、反電中微子、反μ中微子、反τ中微子均為反粒子。反物質在粒子物理學中是反粒子概念的延伸，反物質是由反粒子構成的，如同普通物質是由普通粒子所構成的。例如一顆反質子和一顆反電子（正電子）能形成一個反氫原子，如同電子和質子形成一般物質的氫原子，大部分物質是由質子和中子組成的，而質子和中子是由夸克組成的，夸克是一種物質粒子，構成反質子的反夸克與構成質子的夸克攜帶相反的電荷。有六種夸克，但物理學家通常用三對來描述它們:上/下、/奇和底/頂。而且，對于每一個夸克，都有一個對應的反夸克。夸克有一個不尋常的特點，那就是帶少量電荷，不像質子和電子，它們帶正1和負1的整數電荷。
反物質的形成
反粒子結合形成反質子、反中子、反電子，反質子、反中子和反電子如果像質子、中子、電子那樣結合起來就形成了反原子。
狄拉克方程
1928年，英國物理學家狄拉克根據相對論方程和量子電動力學方程，推測世界上存在反物質，構成它們的基本粒子與物質的基本粒子質量相同，但電荷相反。起因是狄拉克用方程來解釋電子的行為，他注意到有兩種可能的解，類似于由二次方程得出的正解和負解，而他相信正解是質子的數學表示。
在場論的現代公式中，狄拉克方程是用狄拉克旋量場寫成的。取復向量空間中的值具體描述為，定義在平面時空（赫爾曼·閔可夫斯基空間）) 。它的表達式還包含伽馬矩陣和參數解釋為質量以及其他物理常數。
就領域而言，保羅·狄拉克方程為
在自然單位中，用理查德·費曼斜杠符號，
它的內容是在每一個量子態中，不能有兩個以上的電子，這兩個電子的轉矩和磁矩的方向相反。根據這一原理，隨著核電荷和原子電子數的增多，電子應該順序地先填充內部的殼層，然后再填充離核越來越遠的各個殼層。利用泡利原理狄拉克作出下述的假設：一切具有負能量的狀態都已被電子所占據，因此，具有正能量的電子就不可能進入這些被占據的狀態中。在正常狀態的原子中情形正是這樣，外面的價電子不可能進入內殼層最靠近原子核的，因為這個殼層已經被占據了。此外，狄拉克作出第二個假設：被無限多個具有負能量的電子所填充的空間應看成空的空間（真空條件）。這種空間的電荷和能量應當看作等于零。
狄拉克因創立有效的，新形式的原子理論，包括正確預測了反物質而獲得1933年諾貝爾物理學獎。
卡爾·安德森云室實驗
1932年，美國物理學家卡爾·安德森發現，所預測的正粒子不是質子，而是與電子具有相同的質量的電子，因此，狄拉克預測的子“反電子”并命名為正電子，卡爾·安德森因此獲得1936年諾貝爾物理學獎。
愛因斯坦質能方程與反物質
物質與其所對應的反物質碰撞后消失并產生高能光子（γ射線）等能量的過程，例如電子與正電子的碰撞，稱之為湮滅，其反應過程遵守愛因斯坦的質能方程：，其中E為湮滅時產生的能量，m為物質湮滅前的總質量，c為光速。
觀測
反物質無法在自然界找到，因放射衰變或宇宙射線等現象中有少量暗物質瞬間存在后與正物質相遇后湮滅，難以觀測到，實驗中可通過正子斷層照影等儀表產生正電子。比如，人體中有一種鉀-40元素，這種元素不穩定，會釋放出正電子；香蕉中也有鉀-40，一根香蕉每75分鐘釋放一個正電子，一天能夠釋放19個正電子。但是，這些正電子一出生，就會與密度很高的負電子碰撞而湮滅，所以我們很難感受到它們的存在，目前，科學家們仍然沒有辦法大規模制造或收集到足夠多的反物質，經過近半個世紀的研究，人類現在也最多只能將反物質（反氫原子）保存1000秒；2011年，CERN的科學家成功將309個反氫原子保持到1000秒，是此前的5000倍。
歐洲航天局INTEGRAL衛星
根據歐洲航天局INTEGRAL衛星的觀測結果，Integral發現星系的反物質云是不平衡的，觀測結果大大降低了反物質來自天文暗物質湮滅或衰變的可能性。
馬克斯普朗克地外物理研究所的Georg Weidenspointner和一個國際天文學家團隊利用Integral四年的數據做出了這一發現。云之所以出現，是因為當反物質的單個粒子（在這種情況下是正電子）遇到電子（它們的正常物質對應物）并相互湮滅時，它發出的伽馬射線。
正電子湮滅的一個特征是伽馬射線攜帶511千電子伏特（keV）的能量。自從511年代氣球上的伽馬射線探測器從銀心發現1970 keV發射以來，關于這些正電子的起源一直存在激烈的爭論。
一些天文學家認為，爆炸的恒星可以產生正電子。這是因為放射性核元素是在巨大的能量爆發中形成的，其中一些通過釋放正電子而衰變。然而，目前還不清楚這些正電子是否可以從恒星碎片中逃逸，其數量足以解釋觀測到的云的大小。
阿爾法磁譜儀（AMS-02）
阿爾法磁譜儀（AMS-02），這是一種最先進的宇宙射線探測器，旨在檢查物質的基本性質和宇宙的起源。作為大型強子對撞機工作的補充，科學家們正在尋找對反物質和暗物質的更好理解，阿爾法磁譜儀（AMS-02）已經被稱為宇宙射線的哈勃空間望遠鏡，是人類送入太空的最大磁譜儀，可以從數十億個事件中識別一個反粒子。這意味著與以前的實驗相比提高了三個數量級的精度。在這樣的精度下，探測器將以前所未有的準確度來探測宇宙射線光譜的組成，其內部有一個強大的永久四氧化三鐵，帶電粒子和反粒子將在其作用下向相反的方向偏轉，從而讓物質和反物質分道揚，而不會“見面”導致彼此湮滅。
AMS是由諾貝爾物理學獎丁肇中領導的大型國際合作，發起人包括中國科學院院士陳和生和王貽芳，AMS探測器2011年升空，到目前已經持續運行超過7年，獲取了超過1200億宇宙線事例，并將持續運行到國際空間站使命結束，不早于2024年。AMS的核心“永磁體”由中國研制，其電磁量能器由中國、意大利和法國共同研制。
歐洲核子研究中心（CERN）BASE實驗
歐洲核子研究中心的BASE合作報告了質子和反質子（質子的反物質對應物）之間最精確的比較。
BASE團隊分析了歐洲核子研究中心反物質工廠（一個獨特的反物質生產和分析設施）一年半的質子和反質子測量結果，以創紀錄的精度測量了質子和反質子的電荷質量比。
RHIC能區反物質和奇特粒子態研究
RHIC-STAR實驗, 在實驗室觀測到第一個反物質超核——超核, 打開了三維核素圖的大門，觀測到迄今為止最重的反物質原子核——反氦4, 為科學家在宇宙尋找反氦原子核信號提供可靠的截面計算參考值。
性質
正反物質相遇湮滅釋放能量，反物質與普通物質具有相同質量但電荷相反，其中，反電子是負電荷量子的反粒子，它是反物質的代表，具有與正常電子相同的質量，但帶有相反的電荷。反質子則是質子的反粒子，它具有與普通質子相同的質量和電荷相反的電荷，即為負電荷。
應用
醫療
反物質的應用領域非常廣泛。其中一個主要應用是在核醫學中。反電子發射斷層掃描技術（簡稱PET）是一種用于診斷癌癥和其他殘留問題的成像技術。發射正電子的放射性同位素（比如香蕉內發現的鉀-40）被附著到葡萄糖等化學物質上，然后一起被注射入血管內。葡萄糖在血管內分解，釋放出正電子，正電子遇見體內的電子并彼此湮滅。這一湮滅過程會產生伽馬射線，這些伽馬射線可被用來構建身體的圖像，從而為醫生提供診斷依據。CERN的科學家們一直在研究將反物質作為一種潛在治療癌癥的手段。物理學家們發現能使用粒子束攻擊腫瘤，這些粒子束會在安全地穿越健康組織之后，釋放出能量。使用反質子可以添加另一束能量。科學家們已經發現，這一技術對倉鼠的細胞有效，但還沒有對人體進行相關研究。
武器
反物質武器的理論威力也遠強于現有的核武器，早在上世紀時，身為美國氫彈之父的愛德華·泰勒就表示反物質可以在軍事方面運用，其威力是超乎想象的。正反物質之間的碰撞會產生湮沒過程，即兩者都不復存在，從而釋放巨大的能量，并釋放多種具有殺傷力的射線，比可控核聚變還要強，并且這個過程不會產生輻射也不存在污染。因此“反物質武器”引起了軍事界的關注，也成為科幻小說中一種比核彈更可怕的武 器。如果人類未來能對這種能量予以控制，就可能制造出推進力更強、重量更輕的航天發動機，所以反物質也被視為一種潛在的新能源。
燃料
據估算1克“反物質”存儲的能量是90萬億焦耳, 遠遠大于傳統的汽油燃燒，能釋放相當于4000多萬噸TNT炸藥的能量， 足以為23 架航天飛機提供動力，比目前高效的核反應也要高出1000倍。美國物理學家杰拉德·史密斯近十幾年來一直在追尋反物質，他認為反物質可作為燃料用于亞光速載人飛船。各種成對的粒子與反粒子一旦相遇，釋放出γ射線和π中間子及極大的能量。經計算，要把質量為1000千克的宇宙飛船加速到0．1倍光速，只需9千克的反物質燃料。理論上說，粒子與反粒子消失時產生的能量是核裂變和核聚變的100倍。他利用歐洲核子研究中心的巨型加速器可在10分鐘里產生10億個反質子。然而反質子以0.1倍光速飛迸，史密斯在反質子的前方設置全金屬箔和氣體，以降低反質子的速度，力圖將反質子封閉在一個用磁場構成的容器內。如果獲得成功，10分鐘里就能富集到100萬個左右的反質子。遺憾的是，100萬個反質子作為火箭燃料實在是杯水車薪。即使史密斯提出的新設施10年內能問世，每年也只能生產出1微克反物質，要把9千克反物質火箭燃料弄到手，需要90億年。
雖然反物質的應用廣泛，但仍存在一些挑戰和難點，首先反物質無法在自然界找到，其次反物質的生產非常昂貴和困難，因此在應用中存在較多限制。
研究意義
從最初預言反物質存在，到反物質的發現，以及現在對反物質性質的研究，豐富并加深了人類對整個物質世界的理解，未來任何正物質和反物質性質差別的發現都將預示著物理學新的突破；同時，由于正反物質會發生湮沒，將質量完全轉化為能量，因此對它的可控利用也是人類的目標，由于反物質的產生需要巨大的能量輸入，因此可控、高效地 利用反物質之路還仍漫長，目前反物質研究還處在基礎研究階段，但未來，人類有可能將反物質用作能源和武器，使其發揮巨大的應用價值。
參考資料 >
關于反物質的十件事：人體也會釋放反物質.微信公眾平臺.2023-08-24
紀念趙忠堯先生.紀念趙忠堯先生誕辰120周年學術研討會.2024-07-30
威斯康星大學麥迪遜分校科學家幫助解釋反物質的稀缺性.威斯康星大學麥迪遜分校.2023-08-23
什么是反物質？.微信公眾平臺.2023-08-21
Angels and Demons.歐洲核子研究中心.2023-08-21
阿爾法磁譜儀（AMS-02）.歐洲航天局.2023-08-21
Giant space magnet may have trapped antihelium, raising idea of lingering pools of antimatter in the cosmos.Science.2023-08-23
PDF - discovery_antimatter.pdf.LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY.2023-08-23
Why Ignition? NIF Experiments and Stockpile Stewardship.LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY.2023-08-23
Owen Chamberlain.physics today.2023-08-23
為什么我們難以見到反物質.今日頭條.2023-08-22
【人民日報】探尋反物質缺失之謎.中國科學院高能物理研究所.2023-08-23
歐洲航天局.歐洲航天局.2023-08-21
反物質獵人的守護者.歐洲核子研究中心（CERN）.2023-08-21
歐洲核子研究中心（CERN）BASE實驗.歐洲核子研究中心（CERN）.2023-08-23
反物質到底有多可怕？僅一克就相當于，2顆廣島原子彈爆炸威力！.今日頭條.2023-08-22
美國科學家研究實現星際飛行的可行性.中國科學院高能物理研究所.2023-10-19