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• 发布时间：2025-11-03 12:31:03
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假如，反物资真的存于，它们于哪里？当前物理学常识认为，于宇宙降生之初，正物资与反物资应是等量存于的。那末，于咱们这个物资世界以外，是否是还有有一个彻底相反的世界？假如并无一个“反世界”，那末，又是甚么让正物资保留了下来，组成了今天的世界？如今，反物资已经经成为研究的热门及核心。

反物资毕竟是啥？

想象一下，当你天天起床洗漱的时辰，眼前的镜子里呈现了一个与你对于称的人影。他有着及你同样的边幅，做着一样的动作，却处于“相反”的空间。镜子中的人影就是反物资的一种表现——反物资是物资的“镜像”。于物理学中，反物资是与平凡物资相对于应的一种存于。

每一种粒子，例如电子、质子、中子，都有一个“反粒子”，它们的质量不异，但电荷等性子相反。当反物资与平凡物资相遇时，两边会彼此湮灭，开释出能量——这就是反物资与平凡物资之间最惹人瞩目的特征，湮灭性。

反物资的发明可以追溯到20世纪初。1928年，英国物理学家保罗 狄拉克试图将量子力学与爱因斯坦的狭义相对于论相联合来描写电子时，经由过程数学推导发明，方程的解中必需引入一种“负能量状况”的粒子，他由此初次预言了电子的反粒子——正电子的存于。1932年，美国物理学家卡尔 安德森于研究宇宙射线时，经由过程云室试验初次不雅测到正电子的轨迹。带负电的电子于磁场中偏转向了一个标的目的，而带正电且质量不异的粒子偏转向了另外一个标的目的，这证明了狄拉克的预言。随后，1955年，物理学家钱伯伦、塞格雷、维冈德、伊普西兰蒂斯于美国劳伦斯 伯克利国度试验室的前身，经由过程盘旋加快器中高能粒子的碰撞，初次人工孕育发生了反质子。

于反物资的研究中，中国也于发力。尤其是近来几年，中国科学家有了很亮眼的体现。2024年8月，我国科学家于一项国际互助试验中，经由过程重离子碰撞，乐成不雅测到了反超氢-4。这是科学史上迄今为止不雅测到的最重的反物资超核，实现了于反物资研究中新的冲破。

为何要研究反物资？

咱们糊口于一个物资占绝对于主导的世界，天然界中的反物资极其稀疏。纵然是高能宇宙射线中的反粒子，也会迅速与地球年夜气中的物资湮灭。既然云云，科学家们为何还有要破费巨额成本去研究它？由于，研究反物资是咱们相识物资世界的主要窗口。这里，笔者给各人先容研究反物资的三个“小方针”。

方针一：反物资去哪了？这是闻名的“重子不合错误称问题”。宇宙年夜爆炸理论认为，于宇宙降生早期，物资及反物资应该是等量孕育发生的，但今天咱们不雅察到的宇宙险些彻底由物资构成。经由过程研究反物资，科学家但愿找出物资为什么于宇宙中盘踞主导职位地方的谜底，进而展现宇宙的形成机制。这是现代物理最主要，也是最底子的未解之谜之一。最近几年来，对于物资-反物资对于称性破缺的研究成为一个冲破口——这类对于称性破缺可能注释，为什么反物资于年夜爆炸后的初期阶段逐渐“消散”，只留下了极少量上风的物资，这类微妙的不合错误称多是宇宙存于的泉源。

方针二：咱们发明的物理定律对于反物资合用吗？这是要测试物理定律的对于称性。有助在鞭策对于基本物理定律的理解，甚至发明新的物理纪律。好比，反物资会不会遭到地球引力的吸引？换句话说，假如把一团反物资放于空中，它会像苹果同样往下失吗？这个问题看似简朴，但其暗地里隐蔽着对于爱因斯坦广义相对于论及物理基本对于称性的严重挑战。按照广义相对于论，所有物体都应该以不异的方式相应重力场，无论它们的质量巨细、构成身分、是物资还有是反物资，这叫做“等效道理”。这个道理，于平凡物资上已经经被重复验证，但于反物资上，却一直悬而未决。

咱们近来有了能力以试验去“测试”它。反氢原子是由一个反质子及一个正电子构成的反物资原子，它是氢原子的镜像版——理论上，它与氢原子有不异的质量、相似的布局，只不外三木SEO-组成的基本粒子是反的。欧洲核子研究中央的科学家们初次乐成地制造并“捕获”到反氢原子。他们使用强磁场将反氢原子悬浮于真空中，避免它与容器接触发生湮灭。2023年，试验团队“关失”了磁场，让反氢原子于无外力作用下自由运动。试验成果注解，反氢确凿会向下失落，其相应引力的方式与平凡物资一致，于当前的丈量精度规模内，没有发明较着差异。虽然今朝的试验精度还有不敷高，但这已经经是一个庞大的里程碑。它告诉咱们，爱因斯坦的广义相对于论极可能也合用在反物资，这进一步巩固了现代物理的基石。此外，科学家们一样经由过程丈量反氢原子的光谱，来查验描写微不雅基本粒子彼此作用的物理理论的切确性以和物资及反物资的不合错误称性。

方针三：研究暗物资。暗物资于宇宙布局的形成及演化中阐扬着主要作用，可是它既不发光也不接收光，至今还没有被直接探测到。假如存于暗物资的“镜像”——反暗物资，它们之间就可以湮灭，孕育发生更多的反物资。科学家们于地球空间轨道上发射了一些探测器去丈量地球周围的反物资。使人惊奇的是，他们不雅测到了比预想中更多的正电子及反质子，甚至寻觅到了反氦核的迹象。很多科学家认为，于星河系中央存于着高密度的暗物资及反暗物资，它们湮灭孕育发生的反物资，终极致使了咱们于地球四周不雅测到的反物资凌驾。虽然这些反物资凌驾的发源仍旧有待确认，可是反物资的研究简直为咱们解开暗物资的谜团打开了一个新的窗口。

反物资研究有效吗？

反物资也并不是只能于理论及试验物理研究中存于，它已经经悄然转变咱们的糊口。正电子发射断层扫描（PET）就是使用正电子举行的医学成像技能——大夫于患者体内打针含有放射性正电子的示踪剂，当正电子与电子湮灭时会开释出光子；经由过程追踪这些光子，成像仪可以或许重修出高精度的体内代谢图象。

这其实不是反物资研究于康健范畴的独一用途。欧洲核子研究中央也于2003年至2013年间开展了反质子细胞试验（ACE），旨于评估反质子于癌症医治中的有用性及合用性。这个试验搜集了来自全世界10个研究机构的物理学家、生物学家及医学专家，配合研究反质子对于生物细胞的影响。到今朝为止，粒子束疗法重要利用质子来捣毁癌细胞。这些粒子以预定的能量被送入患者体内，恰好于达到肿瘤特定深度时住手。然而，于捣毁癌细胞的同时，粒子束也会影响康健细胞，反复医治会增长对于康健构造的侵害。ACE试验测验考试了一种新要领，那就是利用反质子来医治癌症。反质子及癌细胞相遇时，它们会像“爆炸”同样彼此捣毁。试验使用这一效应，让反质子与癌细胞原子核的一部门湮灭。湮灭开释的能量将原子核炸开，并将碎片投射到相邻的癌细胞中，从而捣毁它们。试验发明，利用反质子可以或许更高效地捣毁癌细胞，同时削减对于康健细胞的危险。只管ACE试验已经在2013年竣事，将反质子运用在临床医治仍旧面对诸多挑战，但其研究成果为将来癌症医治要领提供了新的视角。

反物资也是一种具有巨年夜潜力的能源。反物资与平凡物资湮灭时，险些100%的质量城市转化为能量，孕育发生的能量密度是传统化石燃料的10亿倍，是核电站的1000倍。反物资及物资湮灭时孕育发生的能量也是纯粹的，不会留下任何污染或者温室气体。若能降服当前的技能瓶颈，实现高效可控的反物资存储及使用，那末反物资将成为一种近乎完善的清洁能源。

反物资的这一特征为星际旅行提供更多可能。反物资火箭引擎的理论推力可以到达平凡火箭引擎的万万倍以上。有科学家预计，利用反物资燃料的火箭，其速率有可能到达光速的15%。这象征着，从地球到月球的路程，可能只需要短短的9秒。而反物资的高能量密度象征着，纵然携带极少量的反物资，也能为航天器提供充足的能量，举行永劫间的深空摸索。这对于在星际旅行来讲至关主要。虽然反物资火箭引擎的实现还有面对诸多坚苦，但跟着科学技能的前进，这些难题有望慢慢获得解决。反物资作为将来航天范畴的一种潜于革命性技能，正吸引着全世界科学家的存眷及努力。到了那一天，人类的太空摸索将进入一个全新时代，星际旅即将成为实际！

（作者：宋宁强，系中国科学院理论物理研究所副研究员）

你问我答

问：于不少科幻作品中，反物资被描绘成无比伤害、稍有失慎就毁天灭地的“最终兵器”——物资及反物资湮灭时可以或许开释巨年夜的能量。反物资会捣毁世界吗？

宋宁强：今朝各人彻底不消担忧。简直，按照爱因斯坦的狭义相对于论，1公斤反物资与1公斤物资湮灭，可开释约4300万吨TNT爆炸的能量，相称在人类汗青上最年夜的氢弹。然而，地球上险些没法天然孕育发生不变存于的反物资。试验室中制造的反物资数目少少，制造成本也极为昂扬——欧洲核子研究中央一年制造的反质子仅为十亿分之一克量级，制造1克反物资需要耗损的能量就相称在全球四万年的电力耗损，成本跨越6000万亿美元。此外，贮存反物资也极其坚苦，任何容器都由物资构成，一旦反物资接触到容器壁，就会湮灭消散。科学家专门开发了“磁瓶”等技能经由过程磁场将反物资“悬浮”起来，暂时生存于真空中，但效率及不变性都很低。现阶段，用它来制造“反物资炸弹”险些不成能。