我们知道,把自然界纷呈多样的宏观物体还原到微观本源,它们都是由质子、中子和电子所组成的.这些粒子因而被称为基本粒子,意指它们是构造世上万物的基本砖块,事实上基本粒子世界并没有这么简单.在30年代初,就有人发现了带正电的电子,这是人们认识反物质的第一步.到了50年代,随着反质子和反中子的发现,人们开始明确地意识到,任何基本粒子都在自然界中有相应的反粒子存在.
电子和反电子的质量相同,但有相反的电荷.质子与反质子也是这样.那么中子与反中子的性质有什么差别?其实粒子实验已证实,粒子与反粒子不仅电荷相反,其他一切可以相反的性质也都相反.这里我们讨论一下重子数的概念.
质子与中子被统称为核子.人们从核现象的研究发现,质子能转化为中子,中子也能转化为质子,但在转化前后,系统的总核子数是不变的.50年代起的粒子实验表明,还有很多种比核子重的粒子,它们与核子也属同一类,这类粒子于是被改称为重子,核子仅是其最轻的代表,一般的规律是：当粒子通过相互作用而发生转化,系统中的重子个数是不会改变的.
由于重子数的守恒性,两个质子相碰是不会产生一个包含三个重子的系统的,那么反核子应当怎么产生?实验表明,反核子总是在碰撞中与核子成对地产生的.例如
p+p → N+N+N+N'+若干 π介子
其中N代表质子或中子,N'代表反质子或反中子.反核子一旦产生,它常很快与周围的某个核子再相碰而成对地湮灭.例如
N+N' → 若干 π介子
按照这种说法推论,在宇宙的某个地方,一定存在着反物质世界.如果反物质世界真的存在的话,那么,它只有不与物质会合才能存在.可
物质与反物质怎样才能不会合?反物质在宇宙何方?这还是待解之迷.
对于比核子更重的重子,情况完全一样.反重子也总是与重子成对地产生,成对地湮灭的.这些经验使人们认识到,重子数的守恒规律需要重新认识.
现在人们把重子数B当作描述粒子性质的一种电荷.正反重子不仅有相反的电荷,而且也有相反的重子数B.令任一个重子都具有重子数B=+1,则任一个反重子都具有B=-1.介子、轻子和规范子等非重子不具有重子数,即它们有B=0.重子数的守恒规律可表述为：任何粒子反应都不会改变系统的总重子数B.这表述既反映了不涉及反粒子时的重子个数不变,也概括了反粒子与粒子的成对产生和湮灭.现在我们容易理解中子和反中子的区别了,它们具有相反的重子数B,因此反中子能与核子相碰导致湮灭,而中子则不能.
此外,人们还类似地发现了轻子数的守恒性.中微子虽不带电,也不具有重子数,但它与反中微子具有相反的轻子数.按轻子数的守恒性,中微子与反中微子的物理行为也是很不一样的,实验还表明,介子数和规范粒子数是不具有守恒性的.这样我们看到,电荷只是粒子的一种属性,另外还有用重子数和轻子数等物理量刻画的其他属性.正反粒子的这些属性也都是相反的.
1928年,英国青年物理学家狄拉克从理论上首次论证了正电子的存在.这种正电子除了电性和电子相反外,一切性质和电子相同.1932年,美国物理学家安德逊在实验室中发现了狄拉克所预言的正电子.1955年,美国物理学家西格雷等人用人工的方法获得了反质子.此后人们逐渐认识到,不仅质子和电子,所有的微观粒子都有各自的反粒子.
这一系列科学成果使人们日渐接近反物质世界.然而问题并不那么简单.首先,在地球上很难发现反物质.因为粒子与反粒子碰到一起,就像冰块遇上火球一样,或者一起消失,或者转变为其他粒子.所以在地球上,反物质一旦碰上其它物质就会被兼并掉.其次,制造反物质相当困难而且耗费巨大,需要如SSC或LHC之类的高科技仪器,并且即使制造出反物质,也难以保存,因为地球上万物都由物质构成.
我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成.因此,这样的物质被称为正物质,由他们的反粒子组成的物质相应地叫反物质.从粒子物理的角度讲,正粒子和反粒子的性质几乎完全对称,那么为什么自然界有大量的正物质,而却几乎没有反物质呢?这正是我们现在要讨论的问题.
从根本上说,反物质就是物质的一种倒转的表现形式.爱因斯坦曾经根据相对论预言过反物质的存在：“对于一个质量为m,所带电荷为e的物质,一定存在一个质量为m,所带电荷为-e的物质（即反物质）”.
