反物質

在粒子物理學裡，反物質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（伽瑪射線）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，賦予的動能等同於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，後者通常佔大部分。(愛因斯坦特殊相對論告訴我們，質量與能量是等價的)

反物質無法在自然界找到，除非是在稍縱即逝的少量存在（例如因放射衰變或宇宙射線等現象）。這是由於反物質若非存在於像物理實驗室的人工環境下，則無可避免地隨即與自然界的物質發生碰觸並湮滅。反粒子和一些穩定的反物質（例如反氫）可以人工製造出極少量，但卻不足以達到可對這些物質驗證其理論性的程度。

在科學與科幻領域，都有很大的疑問關於為何所見的宇宙很明顯地幾乎充滿了物質、是否有其他地方幾乎充滿了反物質，以及是否能夠駕馭反物質，但在現今可見的宇宙範圍中，明顯的正反物質不對稱性成了物理之謎中的最大難題之一。許多可能的物理過程都是在探究重子時所發現。

1927年12月，英國物理學家保羅·狄拉克提出了電子的相對論方程式，即狄拉克方程。有趣的是，等式中發現除了一般正能量之外的負能量結果。這顯示出一個問題，當電子趨向於朝著最低可能的能階躍遷時；負無限大的能量是毫無意義的。但為了要彌補這條件，狄拉克提出真空狀態中是充滿了負能量電子的「海」，稱作狄拉克之海。任何真實的電子因此會填補這些海中具有正能量的部分。

衍伸這個想法，狄拉克發現海中的這些「洞」則具有正電荷。起初他認為這是質子，但Hermann Weyl指出這些洞應該是具有和電子相同的質量。1932年由美國物理學家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在。在此期間，反物質有時也常被稱作「反地物質」。

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。

反物質和物質一旦相遇，就相互吸引、碰撞而100%轉化為光並釋放出的巨大的能量，這個過程叫做湮滅。湮滅過程會釋放出正、反物質中蘊涵的所有靜質量能，根據愛因斯坦著名的質能關係式──E=mc²，一種在科學界受到普遍認同的理論認為，宇宙大爆炸早期曾產生了數量相當的物質和反物質，隨後發生的物質和反物質的湮滅消耗掉了絕大部分的正、反物質，遺留下的少部分正物質構成了現如今的物質世界。理論上宇宙大爆炸時所產生的粒子與反粒子應該數量相同，但是為什麼現今所遺留下來的絕大多數都是正粒子，這即所謂的「正反物質對稱性破壞」(對稱破缺)，雖然在幾個粒子對撞試驗中，都發現了正粒子與反粒子的衰變略有不同，及所謂的電荷宇稱不守恆(CP破壞)，但在數量上仍不足以解釋為何現今反物質消失的問題，這在粒子物理學上仍是一大未解決的問題。

儘管在人們已經在實驗室中製造出了為數眾多的反原子，然而目前在自然界中尚沒有發現反物質。一種觀點認為即使自然界中存在反物質，它也很快會和正物質發生湮滅。

因為物質與反物質的湮滅時質量可完全轉換成能量，帶來最大的能源效率，且單位產量是核能的千百倍或常規燃料的億兆倍，所以一直有人研究其作為新能源的可行性，主要用於很難補給燃料的太空用，甚至作為反物質武器。但是由於目前人為製造反物質的方式，是由加速粒子打擊固定靶產生反粒子，再減速合成的。此過程所需要的能量遠大於湮滅作用所放出的能量，且生成反物質的速率極低，因此尚不具有經濟價值。此外，不帶電的反物質無法以磁場束縛，保存上也是一大問題。