來源：科普中國
視頻：中國科學家成功獲反物質 癌症診斷領域有重要作用，時長約19秒
近日，中國科學院上海光機所強場雷射物理國家重點實驗室利用超強超短雷射，成功產生反物質——超快正電子源，這一發現將在材料的無損探測、雷射驅動正負電子對撞機、癌症診斷等領域具有重大應用。說到反物質，很多人好奇什麼是反物質？反物質從哪來？存在反物質世界嗎？科普中國頭條推送項目特邀專家沈英甲，幫你一一解讀：
每一種粒子都有一個與之相對的「反粒子」。1929年，英國青年物理學家迪拉克從理論上證實了電子的反粒子，即正電子的存在。這種正電子除了電性和電子相反外，一切性質和電子相同。1932年，美國物理學家安德遜在實驗室中發現了迪拉克所預言的正電子。1955年，美國物理學家西格雷等人用人工的方法獲得了反質子。此後人們逐漸認識到，不僅質子和電子，所有的微觀粒子都有各自的反粒子。
當反粒子和粒子在高能下碰撞而湮滅抵銷時，就可以放出能量，能量可以通過E=mc2質能公式大致計算。而這種能量的釋放率遠遠高於核彈、氫彈，大概幾克就相當於一枚戰略核彈。
在宇宙空間中，「宇宙線」的粒子流在縱橫疾飛，也有宇宙線傾瀉在地球上。宇宙線幾乎全是氫原子核，以及質子、氦原子核、電子等。我們地球所在銀河系內大恆星演化到最終引發的超新星爆炸的殘骸，使宇宙空間的粒子流被加速。宇宙線與地球大氣發生碰撞後，構成宇宙線的粒子搖身一變成為其他粒子。能量較低的宇宙線被地球磁場彎曲， 不會到達地球赤道附近，而是傾注到地球高緯度地區。要研究初始的宇宙線，必須在地磁極所在的高緯度地區，幾乎不存在大氣的平流層之上進行觀測。
自然界的各種物體，以微觀的角度來說，基本上都是由質子、中子、電子所組成的，這些粒子被稱為基本粒子，是世界構建的基礎。之前人們發現的微觀粒子中，質子帶的是正電，電子帶的是負電。反質子是反粒子的一種。反粒子與我們所熟知的粒子有著怎樣的不同呢？ 我們身邊的物質由原子組成， 原子又由電子和原子核組成，原子核又由質子和中子組成。質子和中子則各由三個被稱為「夸克」的粒子組成。夸克和電子同屬構成物質的最基本單位———基本粒子。不過現在有越來越多的科學家認為，物質結構在不同的能量制度上有不同的層次，最終的層次很可能不存在，所以「基本粒子」的提法未必正確。
加速器是將粒子加速至高能狀態使其碰撞，以深入研究微觀世界的裝置。高能粒子碰撞會導致產生新的粒子，同時產生對應的反粒子。比如質子帶正電荷，電子具負電荷；反電子（正電子）帶正電荷。由反粒子組成的物質為「反物質」。氫原子是由一個質子和一個電子組成的， 而反氫原子則是由一個反質子和一個正電子組成。
自然界的物質都是由粒子構成，這個事實表明，至少在我們的銀河系以及鄰近的宇宙天體也都是由粒子構成。粒子與反粒子理應成對存在， 然而在我們的宇宙中為什麼不存在反粒子呢？ 要解開這個謎，不可避免地回溯至宇宙誕生的時刻。
在現代宇宙理論中， 宇宙是從「虛無」狀態誕生的，隨即經歷了急速膨脹， 形成一個超高溫的火球———「大爆炸宇宙」。 大爆炸宇宙充滿極高能量。在這種高能狀態下，可能產生了大量大質量粒子， 此後隨著宇宙的膨脹， 在溫度下降的過程中， 這類大質量粒子崩解成為質量較小的粒子， 在這時候生成了粒子和反粒子。
如果這時粒子與反粒子生產的數量相同，那麼隨著宇宙空間溫度下降，粒子和反粒子就會相遇並湮沒，同時釋放出X射線，介子和光，以及極大的能量。情況果真如此，最終宇宙中就不會存在粒子和反粒子， 銀河系和地球當然也就不會存在了。然而，當這類質量相當大的粒子崩解時， 極微弱的粒子與反粒子的平衡會被打破，比如從比例上來說，對應1 億個反粒子，生成的粒子數是1 億個加1個，很快，1億個粒子與1億個反粒子相遇湮沒，留下1個粒子，於是剩餘的粒子聚集成為物質，進而形成了充滿宇宙的星系和各種天體。科學家認為，這微不足道的粒子與反粒子數量上的區別，導致了大質量粒子崩解時被稱為「CP對稱性破缺」的基本粒子現象。
上面談到的「CP 對稱性破缺」在整個宇宙中都是毫無二致的， 可以認為，整個宇宙都是由粒子構成的。不過，如果這種「CP 對稱性破缺」只發生在宇宙的局部， 那麼宇宙的某個空間裡就有可能生成大量的反粒子， 這樣一來由反粒子構成的星系和種種天體， 也就是說反物質世界不就產生了嗎？ 我們不妨想像：宇宙某個範圍是物質世界， 另一個範圍是反物質世界， 而我們人類只是偶然居住在物質世界裡……
如果反物質世界距我們並不遙遠，那裡生成的反質子和反氦原子核就會以宇宙線的形式， 往來於星河系， 其中極微量的反粒子也許會來到地球。反氦原子核是物質世界中的粒子在碰撞等過程中不能生成的， 如果我們從宇宙線中發現了反氦原子核， 那麼我們就算拿到了反物質世界存在的證據。然而科學家在對宇宙線的觀測過程中， 發現了氦原子核300萬個，而反氦原子核卻一個也沒有找到。這至少提供了直接證據，說明我們的銀河系及其周圍的宇宙空間只是由粒子構成的。
如果反物質世界在我們的近旁不存在的話， 那麼科學家觀測到反質子又來自何方呢？ 科學家傾向於認為， 反質子是宇宙中若干基本粒子發生反應的產物， 如果情況確實如此， 由於科學家從宇宙線中僅檢測到極稀少的反質子， 那倒可以認為為探索發生在宇宙空間的， 令人感興趣的基本粒子反應創造了契機。
在宇宙間往來飛迸的質子等高能宇宙線， 與以星際氣體存在的氫原子核，也就是質子碰撞，就會生成極少的質子和反質子對———這是科學家首先想到的宇宙中的基本粒子反應。在這種碰撞中產生的反質子的能量分布，理論上是能預測的，高能量具有特徵峰值。科學家的觀測數據顯示出與這種預測大致相似的能量分布。被觀測到的多數反質子，都是質子彼此碰撞產生的。不過在能量的最低端的反質子數， 看起來比目前預測的要多， 有必要對理論進行修正，科學家猜測，反質子或許還有別的來源。就像反質子產生這樣，其他基本粒子反應又如何呢？
宇宙中充滿了用光和電磁波無法觀測到的"暗物質"，暗物質的全部質量估計有可見物質全部質量的幾十倍。暗物質究竟為何物，目前仍不清楚，不過關於基本粒子的「超對稱論」所預言的超對稱性粒子，有可能被認為定為暗物質。
如果超對稱粒子就是暗物質的話， 它們就會在銀河系內以0.01倍的光速往來奔突， 這種超對稱粒子彼此碰撞， 就有可能產生極微量的質子的同時，產生反質子。但是科學家還不能根據反質子的數據， 對如此產生的反質子的能量分布給出圓滿的解釋。
這次中國科學院上海光機所獲得反物質超快正電子源將對雷射驅動正負電子對撞機等具有重要意義。未來，在高能物理、材料無損探測、癌症診斷領域有應用前景，由於其脈寬只有飛秒量級，可使探測的時間分辨大大提高，進而研究物質性質的超快演化。（資料來源：《知識就是力量》雜誌社）
總編/綦 霏
副總編/張泉水 楊江濤
責任編輯/若 平
技術總監/宋嘉山
法律顧問/山東勇華律師事務所律師 戰 勇