考慮到很多人經(jīng)常會(huì)把反物質(zhì)和暗物質(zhì)搞混，所以在說明反物質(zhì)之前，首先區(qū)分反物質(zhì)和暗物質(zhì)這兩個(gè)概念：

反物質(zhì)：任何物質(zhì)都有反物質(zhì)，反物質(zhì)的電荷等性質(zhì)與正物質(zhì)相反，質(zhì)量相同，比如電子與正電子，除了電荷符號(hào)相反外其他性質(zhì)均相同；光子的反物質(zhì)就是其自身；

暗物質(zhì)：為了解釋宇宙學(xué)觀測(cè)中現(xiàn)象與理論不符而提出的一種分布在宇宙中的不可見物質(zhì)，目前為止暗物質(zhì)只是一種假設(shè)，也沒有任何的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明暗物質(zhì)存在。

理論上說，反物質(zhì)屬于可見物質(zhì) 本文由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

1、背景介紹

2、正反物質(zhì)湮滅

3、宇宙中的反物質(zhì)

4、身邊的反物質(zhì)

5、理論解釋

6、總結(jié)

1、背景介紹

最先提出“反物質(zhì)”的是狄拉克（Dirac），他為了描述電子（自旋為1/2的粒子）的運(yùn)動(dòng)而提出了Dirac方程。狄拉克通過對(duì)比牛頓力學(xué)與相對(duì)論力學(xué)的關(guān)系，自然地想把量子力學(xué)推廣到相對(duì)論性量子力學(xué)。在量子力學(xué)中，最重要的是薛定諤方程：

其中

為哈密頓算符，其實(shí)就是牛頓力學(xué)下動(dòng)能的形式，而狄拉克推廣的想法簡(jiǎn)單地說就是把這個(gè)能量變?yōu)橄鄬?duì)論中的能量：

其中把光速設(shè)為1了。這個(gè)方程的解就可能對(duì)應(yīng)著兩個(gè)能量，即+E和-E，狄拉克把負(fù)能量解釋成反物質(zhì)。狄拉克對(duì)此提出了“狄拉克海”，以電子為例，他認(rèn)為宇宙中充滿了電子，和海洋一樣，但是某些電子可能由于某些原因被激發(fā)出海平面，這樣這個(gè)電子原來的位置就留下一個(gè)空穴。這個(gè)空穴相對(duì)于充滿電子的空間來說，就是帶正電的正電子。當(dāng)然現(xiàn)在我們知道這種解釋并不是正確的。通過解Dirac方程發(fā)現(xiàn)，每一種粒子（自旋1/2的粒子）都必定存在其對(duì)應(yīng)的反粒子，反粒子和粒子的質(zhì)量完全相同，但是電荷等屬性完全相反（注意與暗物質(zhì)區(qū)分）。隨著理論和實(shí)驗(yàn)的發(fā)展發(fā)現(xiàn)，不管自旋為多少，每一種粒子都有其對(duì)應(yīng)的反粒子（特殊情況下，反粒子可以為其本身，如光子）。

1932年，安德森發(fā)現(xiàn)了正電子。安德森從1930年開始跟密立根做宇宙射線的研究工作。從1930年起安德森負(fù)責(zé)用云室觀測(cè)宇宙射線。安德森采用一個(gè)帶有非常強(qiáng)磁鐵的威爾遜云室來研究宇宙射線。他讓宇宙射線中的粒子通過室內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)

并快速拍下粒子徑跡的照片，然后根據(jù)徑跡長(zhǎng)度、方向和曲率半徑等數(shù)據(jù)來推斷粒子的性質(zhì)。1932年8月2日，安德森在照片中發(fā)現(xiàn)一條奇特的徑跡，這條徑跡和負(fù)電子有同樣的偏轉(zhuǎn)度，卻又具相反的方向（上圖），顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率判斷，又不可能是質(zhì)子。于是他果斷地得出結(jié)論，這是帶正電的電子。狄拉克預(yù)言的正電子就這樣被安德森發(fā)現(xiàn)了。

雖然安德森是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)正電子的人，但是實(shí)際上，在此之前，就有一名中國(guó)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了正電子的跡象，他就是趙忠堯先生。

2、正反物質(zhì)湮滅正反物質(zhì)相遇會(huì)發(fā)生湮滅反應(yīng)（當(dāng)然也有一定的概率發(fā)生散射而不是湮滅），在這個(gè)過程中釋放出高能光子。以正負(fù)電子為例，正負(fù)電子湮滅成一對(duì)光子的（最主要的）過程可以用如下費(fèi)曼圖表示：

正負(fù)電子湮滅生成一對(duì)光子 電子的質(zhì)量大約為

正負(fù)電子湮滅放出的光子的波長(zhǎng)很容易算出來。反應(yīng)前后能量守恒：

其中

是電子的靜質(zhì)量，

是入射光子的頻率，可以算出：

再通過

算出光子波長(zhǎng):

而光的分類為：

可以看到，這樣的光子至少也是gamma射線。上面的計(jì)算還沒有考慮電子有動(dòng)能。另外，宇宙中的物質(zhì)主要是重子，重子是強(qiáng)子的一種，而最輕的強(qiáng)子是 介子的質(zhì)量大約為

是電子質(zhì)量的260倍左右。所以強(qiáng)子正反物質(zhì)湮滅只會(huì)釋放出更高的能量。

3、宇宙中的反物質(zhì)

單純的從Dirac方程來看，物質(zhì)和反物質(zhì)的地位是完全等價(jià)的，不存在誰比誰更優(yōu)先，兩者是互為反物質(zhì)，也就是說，物質(zhì)和反物質(zhì)的產(chǎn)生和湮滅過程在統(tǒng)計(jì)上應(yīng)該是平衡的。如果我們假設(shè)宇宙大爆炸時(shí)正反物質(zhì)數(shù)量是相等的，那么現(xiàn)在的正反物質(zhì)數(shù)量也應(yīng)該是相等。

宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)的不對(duì)稱主要體現(xiàn)為正反重子的不對(duì)稱，這是因?yàn)楫?dāng)今宇宙中的普通物質(zhì)的能量主要集中在重子部分。但是天文觀測(cè)數(shù)據(jù)卻顯示，在可觀測(cè)的宇宙范圍內(nèi)，二者嚴(yán)重失衡，只發(fā)現(xiàn)了正物質(zhì)，沒有反物質(zhì)。假設(shè)宇宙中有反物質(zhì)存在的區(qū)域，那么在正反物質(zhì)的交界處會(huì)發(fā)生劇烈的湮滅，產(chǎn)生很強(qiáng)的伽馬射線，但是宇宙觀測(cè)中并沒有發(fā)現(xiàn)這種伽馬射線。在高能宇宙線中觀測(cè)到的反物質(zhì)比如反質(zhì)子是宇宙線傳播過程中發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的次級(jí)粒子，并不是來自于宇宙深處的原初反物質(zhì)其它的觀測(cè)也給出了相同的結(jié)果。

在宇宙學(xué)中，人們定義了重子光子比

上面公式中的分子分別表示重子和反重子的數(shù)密度，分母為光子的數(shù)密度，大約為每立方厘米413個(gè)光子。經(jīng)典大爆炸宇宙學(xué)告訴我們宇宙早期的物質(zhì)處于高溫的等離子體，當(dāng)宇宙溫度足夠高時(shí)，正反重子不停地成對(duì)產(chǎn)生并很快湮滅。但是當(dāng)溫度降到1 GeV 以下時(shí)，這些正反重子很快湮滅成光子，而不再有正反重子對(duì)的產(chǎn)生。如果宇宙是正反重子對(duì)稱的，最后的結(jié)果將是0。但這與觀測(cè)結(jié)果是直接矛盾的。宇宙早期大爆炸核合成以及微波背景輻射都重子光子比有精確的測(cè)量。兩者的測(cè)量結(jié)果都給出10的負(fù)10次方。注意，這兩個(gè)物理過程分別發(fā)生在溫度相差一 百萬倍的不同時(shí)期，卻給出了幾乎相同的結(jié)果，這說明了標(biāo)準(zhǔn)大爆炸宇宙學(xué)模型的自洽性和成功之處，并一致性地告訴我們至少?gòu)拇蟊ê撕铣蓵r(shí)期開始，宇宙呈現(xiàn)出了明顯的正反物質(zhì)的不對(duì)稱。

理論上講，這種正反物質(zhì)不對(duì)稱可能是宇宙創(chuàng) 生的時(shí)候就有的。然而，近代宇宙學(xué)研究表明，宇宙 在早期經(jīng)歷了一個(gè)暴脹階段。暴脹解決了經(jīng)典宇宙 學(xué)中的平坦性、均勻性等問題，但同時(shí)劇烈的膨脹也使得原始的重子數(shù)和反重子數(shù)密度趨近于零。也就是說經(jīng)歷了暴脹之后，宇宙應(yīng)該處于的對(duì)稱狀態(tài)。所有的物質(zhì)和反物質(zhì)都是在暴脹后的再加熱 (reheating)過程中產(chǎn)生，所以正反物質(zhì)的不對(duì)稱也必 須是暴脹后宇宙中的動(dòng)力學(xué)演化的結(jié)果。

4、身邊的反物質(zhì)

一說到反物質(zhì)，就會(huì)想到反物質(zhì)和正物質(zhì)會(huì)湮滅，會(huì)覺得其與生活中的物質(zhì)距離非常遠(yuǎn)。但是實(shí)際上，從某種意義上說，反物質(zhì)無處不在。根據(jù)物理學(xué)中的相關(guān)知識(shí)可以知道，我們的宏觀世界幾乎都是由原子或分子構(gòu)成的，原子質(zhì)量幾乎都集中在原子核中，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，而原子核中的質(zhì)子中子之間是有非常強(qiáng)的相互作用的，而傳遞這種相互作用的粒子中就含有反物質(zhì)（反夸克）。所以，從這種意義上說，反物質(zhì)存在于所有的宏觀物質(zhì)中。當(dāng)然，這里是指反物質(zhì)粒子，而不是反物質(zhì)粒子構(gòu)成的宏觀物質(zhì)。（當(dāng)然，嚴(yán)格地說，這些應(yīng)該屬于虛粒子）

反物質(zhì)在我們所生活的環(huán)境中不能產(chǎn)生，但是在實(shí)驗(yàn)室中卻很容易產(chǎn)生，也就是在對(duì)撞機(jī)中，比如CERN的LHC，北京的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)BEPC等，在一次對(duì)撞中，會(huì)產(chǎn)生成千上萬的反物質(zhì)粒子產(chǎn)生，也就是說反物質(zhì)每天都在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生。

5、理論解釋

那么從現(xiàn)有的理論上該怎么解釋這個(gè)現(xiàn)象呢？1967年前蘇聯(lián)物理學(xué)家薩哈洛夫（Sakharov）就提出了動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生宇宙正反物質(zhì)不對(duì)稱, 即重子數(shù)產(chǎn)生（baryogenesis）機(jī)制所需要的3個(gè)條件：

存在重子數(shù)不守恒的過程

C和CP對(duì)稱性的破壞

脫離熱平衡

重子數(shù)的定義：正物質(zhì)重子數(shù) 減去 反物質(zhì)重子數(shù)。第一條是很顯然的，若重子數(shù)守恒，那么正反物質(zhì)永遠(yuǎn)是對(duì)稱的。第二條，C不對(duì)稱是正反粒子交換的不對(duì)稱，CP不對(duì)稱是正反粒子交換、左和右交換聯(lián)合的不對(duì)稱。只要C或CP中的任意一個(gè)對(duì)稱性存在， 重子數(shù)破壞的反應(yīng)過程就會(huì)產(chǎn)生相同數(shù)量的重子和反重子。第三條，由CPT 定理(T是時(shí)間反演)可知，正反粒子質(zhì)量相等。如果處于熱平衡，重子與反重子將具有相同的熱分布, 因而會(huì)有相同的密度和數(shù)量。

為了實(shí)現(xiàn)這三個(gè)條件，多年來提出了很多具體的機(jī)制和模型。但是能否在現(xiàn)有的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model，SM） 實(shí)現(xiàn)呢？在當(dāng)今粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，重子數(shù)守恒是被非微擾的Sphaleron過程所破壞。再者C變換不守恒在標(biāo)準(zhǔn)模型的弱相互作用中普遍存在，而CP變換的不守恒是由卡比博-小林-益川矩陣(CKM矩陣)中的一個(gè)復(fù)的相角所提供。當(dāng)重子數(shù)破壞過程的反應(yīng)速率小于宇宙膨脹的速率時(shí)，遠(yuǎn)離熱平衡的條件也可以滿足。但是定量的計(jì)算表明標(biāo)準(zhǔn)模型中CP破壞的效應(yīng)很小而遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能產(chǎn)生觀測(cè)到的物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱的數(shù)值。

標(biāo)準(zhǔn)模型中CP破壞有兩個(gè)來源，一個(gè)是弱電中的CKM矩陣，另一個(gè)是強(qiáng)相互作用（QCD）中出現(xiàn)的強(qiáng)CP破壞。但是定量的計(jì)算表明，這兩個(gè)破壞源都無法滿足Sakharov條件中所要求的破壞量級(jí)。另外，這還要求Higgs粒子的質(zhì)量要小于45Gev，但是實(shí)驗(yàn)已經(jīng)測(cè)得其質(zhì)量為125Gev。因此，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模型存在不能解釋的問題，是一定要擴(kuò)充的！

下面說一下電弱重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，因?yàn)榱孔有?yīng)的存在導(dǎo)致的反常效應(yīng)和非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)真空的特殊性破壞了重子數(shù)，這種效應(yīng)在低溫時(shí)是微不足道的，但當(dāng)溫度高于電弱能標(biāo)(大致對(duì)應(yīng)于(100) GeV)時(shí)，重子數(shù)破壞作用將處于熱平衡。這實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)條件，CKM矩陣給出C和CP破壞實(shí)現(xiàn)第二個(gè)條件。第三個(gè)條件是通過一級(jí)電弱相變實(shí)現(xiàn)的。

在宇宙初期，溫度很高，電磁相互作用和弱相互作用還處于統(tǒng)一狀態(tài)，電弱對(duì)稱性 還沒有破缺，此時(shí)還沒有凈重子數(shù)產(chǎn)生。隨著宇宙膨脹，溫度下降到大約100Gev以下時(shí)發(fā)生電弱相變，正反物質(zhì)的不對(duì)稱性就發(fā)生在這個(gè)過程。這個(gè)過程分為三步:

1.在對(duì)稱相的等離子體中的某些地方會(huì)發(fā)生一級(jí)相變，出現(xiàn)破缺相，也就是出現(xiàn)了一個(gè)bubble，這個(gè)破缺相的bubble區(qū)域會(huì)逐漸膨脹，bubble壁與外面的對(duì)稱相中的離子發(fā)生碰撞，如果bubble壁前存在CP破壞因子，那么壁前將產(chǎn)生粒子數(shù)密度的CP不對(duì)稱性；

2.CP不對(duì)稱性通過sphaleron過程產(chǎn)生比反重子多的重子；

3.bubble外產(chǎn)生的凈重子數(shù)隨著bubble的快速擴(kuò)大被納入破缺相中。

如下圖所示：

這個(gè)sphaleron過程在高溫下速率很快，而在低溫下，尤其是電弱破缺相中很慢，定量計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)破缺相中的這個(gè)過程可以認(rèn)為是0。

當(dāng)然了，這個(gè)bubble機(jī)制雖然很漂亮，但是如之前所說，有些條件如CP破壞強(qiáng)度是達(dá)不到的。目前也有很多人提出新的機(jī)制和模型來解釋這個(gè)謎，具體就涉及細(xì)節(jié)的計(jì)算了，估計(jì)不會(huì)有人想看。

電弱重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制最吸引人的地方在于它和 希格斯粒子緊密聯(lián)系在一起], 可以在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)和引力波實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證.。當(dāng)然，還有很多其他的重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制，比如擴(kuò)大統(tǒng)一重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制(GUT baryogenesis)、Affleck-Dine機(jī)制、輕子數(shù)不對(duì)稱產(chǎn)生機(jī)制(leptogenesis)等

6、總結(jié)

雖然上面說了很多，但是目前對(duì)于在宇宙中觀測(cè)到正反物質(zhì)不對(duì)稱性的起源，我們?nèi)匀皇侵跎佟２粌H對(duì)于粒子物理，對(duì)于宇宙學(xué)，這同樣是一個(gè)非常重要的問題。雖然現(xiàn)在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)非常漂亮的模型，但是對(duì)于解釋正反物質(zhì)不對(duì)稱還是不夠，因此，標(biāo)準(zhǔn)模型一定是要擴(kuò)充的。但是擴(kuò)充的方向在哪，新的物理現(xiàn)象又會(huì)出現(xiàn)在什么地方，或許就需要下一代更高能量的對(duì)撞機(jī)了吧。

總而言之，

革命尚未成功，同志仍需努力