“您的反物質即將送達，請準備簽收” 等一下，反物質不是一碰就炸嗎，這怎麼送？

反物質，乍一聽很像科幻小說里的東西，但實際上它可是正兒八經的物理學概念。但和暗物質、暗能量那些不一樣，反物質這東西在現實中是早就實打實被發現了的，甚至我們已經可以人工製備反物質。那人類目前拼盡全力能造出多少反物質？現實中我們對反物質的研究到了什麼程度？用反物質做能源離我們還有多遠？

想說清楚這些問題，我們還得先從“什麼是反物質”說起。雖然反物質這東西之前沒少說，“俗說量子”系列里還專門做過一期，但當時更多是從科學史的角度進行的介紹，主要說了反物質是怎麼被預言出來，後來又是怎麼被發現的等等。今天我們換個角度，著重從物理學角度詳細說說“反物質”這個“既科幻又現實”的東西。看完本期視頻，相信你對反物質的瞭解將超過身邊99.99%的人（也算是“萬里挑一”了）。

【什麼是反物質】

反物質，顧名思義就是和普通物質相反的東西。啥相反呢？有人說了：電荷相反。但是巨集觀物體通常是不帶電的，比如有個反物質人，那TA和普通人看起來應該沒啥兩樣。但是我們知道，物質是由原子構成，原子又由質子、中子和電子構成。反物質呢？它也有這些粒子，只是這些粒子攜帶的電荷是相反的。比如正常的電子帶負電，反電子就帶正電（正電子）；正常的質子帶正電，而反質子則帶負電。沒錯，構成物質的粒子攜帶相反電荷是反物質區別於普通物質的一個最明顯特徵。

除了電荷相反外，反物質和普通物質也有一些其他區別，比如說某些量子數不同。所謂量子數，它是量子力學中用來描述粒子狀態的參數，有各種各樣的類型，反物質主要涉及其中的重子數和輕子數。“重子數”用來描述一個系統中重子的數量，比如質子、中子這些參與強相互作用、質量相對比較大的粒子它們的數量；同理，“輕子數”就是用來描述輕子的數量，比如電子、中微子這些不參與強相互作用、質量相對比較小的粒子它們的數量。

注意：光子不參與強相互作用，而且品質也為0，你說光子算輕子么？欸，不算，光子既不屬於輕子，更不屬於重子，因為它屬於玻色子（重子輕子屬於費米子）。至於什麼是玻色子這就不展開了，不然沒完沒了了。

好，說回來。反物質它的重子數和輕子數有什麼不同呢？我們知道，正反物質相遇會發生湮滅反應，也就是構成物質的粒子會全部轉化成能量（也就是光子）和其他粒子。比如無論是質子和反質子相遇，還是電子和反電子相遇，最終它們都會轉化成能量並以光子的形式釋放。

在這個過程中，質子的重子數是+1，光子不屬於重子，所以它的重子數是0，而湮滅反應過程量子數守恆，因此反質子的重子數只能是-1。

質子（+1） + 反質子（-1） → 光子（0）

同理，電子和反電子的湮滅過程也是一樣。電子的輕子數是+1，光子的輕子數是0，因此反電子的輕子數是-1。

電子（+1） + 反電子（-1） → 光子（0）

發現了吧，反物質和普通物質的另一個區別就是在重子數和輕子數上也是相反的。

除此之外，你甚至可以按費曼的觀點認為，反物質就是逆著時間方向運動的普通物質。因為在費曼圖中，普通電子的軌跡是從過去到未來，但是正電子的軌跡是從未來到過去。欸，哪天你碰到一個來自未來的人，記得離他遠點，因為他很有可能是個反物質人。開個玩笑，並不是說反物質真的來自未來，這其實只是一種數學上的等價，方便理論計算而已。

相信不少人最早聽到“反物質”這個概念應該是在科幻作品里，像什麼反物質引擎啦、反物質炸彈什麼的。大部分科幻作者之所以在作品里引入反物質，我估計主要還是嫌核能不給力。畢竟，哪怕是核聚變，能量轉化效率也就0.7%而已。而反物質呢？剛才說了，湮滅反應會將物質的所有質量轉化成能量釋放出去，轉化效率100%。根據質能公式（E=mc^2），任何一丁點品質只要乘上光速（而且還是光速的平方），最終結果都將是個天文數位。

比如用1克普通物質和1克反物質湮滅，兩者釋放出的能量大約是1.8×10^14焦耳，這相當於一次性往廣島投下了4顆原子彈！換個不那麼暴力的例子，假如一輛汽車使用反物質驅動，那麼只需1粒米重量的反物質便能夠驅使它行駛幾千公里！欸，和它一比，現在的新能源汽車簡直就像玩具。哪怕是Tony Stark的方舟反應堆，那也得往後稍稍。

可惜的是，反物質這種東西現實中幾乎找不到。宇宙中的所有東西（甭管是行星、恆星還是星系），它們全都是由普通物質構成的。而根據大爆炸理論，宇宙在誕生時應該產生了等量的正反物質才對。於是問題來了：為什麼現在宇宙中只有正物質，反物質去哪了？這個問題也是現代物理學中的一個未解之謎。

當然，這個問題你可以用人擇原理來回答：你之所以能問出這個問題，說明當初正反物質就不是完全對等的。不然它們全部湮滅後，宇宙里應該只剩下能量，不會有任何物質，也不會有任何生命，更不會有任何人來問出這個問題。所以現在來看，當初的正物質肯定是比反物質多了那麼一丟丟，正是因為多出來的這麼一丟丟，才有了今天的世間萬物。假如當初多出來的不是正物質而是反物質的話，那現在這個宇宙可能就成了個反物質宇宙。當然，對於反物質宇宙里的人來說，也許TA們是正常的，而我們才是“反”物質。

雖然我們的宇宙中所有天體（黑洞除外）它們幾乎全都是由普通物質構成，但反物質也不是一點沒有。當年在宇宙射線中人們就發現了第一個反物質——正電子，後來國際空間站上的阿爾法磁譜儀（AMS-02）還探測到過比正電子品質大得多的反氦核。

但是宇宙中天然存在的反物質粒子不僅數量稀少而且轉瞬即逝，畢竟宇宙中到處都是正物質，反物質一不小心就會撞上，立馬湮滅。所以在宇宙射線中發現反物質粒子全憑運氣，而這就給研究反物質帶來了不便。於是就有科學家開始琢么：我們能不能直接造點反物質出來呢？這樣想什麼時候研究就什麼時候研究，多好，是吧。

【製造反物質】

要想製造反物質，得先造出反原子，要造出反原子，得先造出反電子和反質子（最好還能有反中子）。這裡面反電子的製造難度是最小的，一些放射性同位素的衰變過程就能釋放正電子。而且由於質量比較小，即使通過粒子加速器，製造正電子的能量也相對低得多。

但是製造反質子就難了，因為質子的品質足足是電子品質的1800多倍。這意味著，製造反質子需要足夠大的能量才行。

1955年，兩位美國物理學家埃米利奧·塞格雷和歐文·張伯倫，他們利用當時最大的粒子加速器將一束質子加速到了6.2GeV，然後讓它們以接近光速的速度撞擊靶材料（銅或鈹）。在碰撞瞬間，質子的動能被集中在一個極小的空間區域內，形成極高的能量密度。這些能量大到足以轉化為品質，生成相應的粒子-反粒子對，其中就包括質子和反質子對。反質子的發現進一步證明了現實中確實存在反物質這種東西，塞格雷和張伯倫也藉此獲得了1959年的諾貝爾物理學獎。

既然能撞出反質子，那反中子應該也沒太大問題。果不其然，就在發現反質子的第二年（1956年），科學家就發現了反中子。欸，這時候就有人問了：質子帶正電，反質子帶負電，沒毛病，但是中子它不帶電呀，那反中子是怎麼一回事呢？

其實很好理解，不管質子還是中子，它們都不是基本粒子，而是由誇克組成的複合粒子。由於誇克是帶電荷的，所以自然也存在反誇克，由反誇克組成的質子和中子，自然就是反質子和反中子。除此之外，反中子在重子數、磁矩方向等方面也和中子是相反的。

好了，現在反電子、反質子包括反中子都有了，那麼下一步就可以嘗試製造反原子了。

1995年，歐洲核子研究中心（CERN）首次製造出了反氫原子，這也是當時發現的最重反物質。注意，這時候還沒用到反中子，只用到了反質子和正電子。

科學家先是用粒子加速器產生一些反質子，剛產生出來的反質子能量非常高（接近光速），為了能讓它們更好的和正電子結合，科學家需要先把這些反質子導入到低能反質子環（LEAR）中使其進行減速。為啥要減速呢？因為放射性同位素衰變產生的正電子能量較低，太快了容易和它擦肩而過，只有速度足夠慢才能讓兩者有機會“粘”在一起，形成反氫原子。即便是這樣，反質子和正電子成功結合的概率仍然非常低，最終科學家只製造出了9個反氫原子。

2000年，歐洲核子研究中心的科學家把之前的低能反質子環升級成了反質子減速器（AD），通過它人們在兩年後（2002年）成功製造出了5萬個反氫原子，終於在一定程度上實現了反氫原子的批量化生產。

打這之後，科學家把關注的重點放在了製造更重的反物質原子核上，而不是非要讓它們和正電子結合成反物質原子。畢竟，原子核才是構成原子最主要的部分，研究反物質主要研究的就是反原子核。當然，從技術難度上說，讓原子核與電子結合確實更困難，需要額外考慮很多事，總之它不是現階段的研究重點。

如果之前的反氫品質是“1”的話，沒過幾年“最重反物質”的紀錄就突破了“3”。

2010年，美國布魯克海文國家實驗室的科學家通過相對論重離子對撞機（RHIC）首次製造出了含有超子的反原子核——反超氚。

什麼是反超氚呢？“氚”我們知道，就是氫的同位素，只是比氫多了兩個中子。

“超”是說它包含了1個超子。所謂“超子”，其實和重子差不多，只是構成重子（比如質子、中子）的是上下誇克，而構成超子的除了上下誇克外，至少還含有一個奇誇克。

當然這裏對應的是反奇誇克，含有它的超子就是反超子。所以呢，反超氚就是由1個反質子 + 1個反中子和1個反Λ超子組成的反超核。

緊接著第二年（2011年），還是在重離子對撞機上，這次人們把最重反物質紀錄提高到了4，搞出了反氦-4。

反氦-4，又名反阿爾法粒子，它由2個反質子和2個反中子構成。

別看只把紀錄提高了1，但技術難度可以說是指數級上升。科學家先要生產出足夠多的反氦-3，然後在這基礎上再產生反氦-4。據統計，平均每一萬個反氦-3才能產生一個反氦-4。科學家在用金核對撞了10億次后，最終在數據中發現了18個反氦-4。

雖然這兩年科學家又發現了與反氦-4質量相當的反超氫-4和反超氦-4，但是在很長一段時間內，它們可能已經是我們能夠製造出的最重反物質了。因為下一個更重的反原子核產生的可能性只有反氦-4的百萬分之一，憑藉現有的加速器技術這幾乎是不可能實現的。

“品質”上不去，能不能提高“產量”呢？輕就輕了，可以多造一些嘛，把總品質提高上去也可以嘛。只能說，這條路依然很難。

位於歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）可以說是目前最先進的反物質生產設施，然而它每年也只能生產億分之一克的反物質。假如以這種方式來製造反物質，哪怕是製造1納克（也就是0.000000001克）的反物質（大概150萬億個反氦-4），那至少也要上百年的時間，而整個過程消耗的電力也將是個天文數位。

所以，雖說目前已經能夠人造反物質，但是生產反物質的效率非常低，成本也極其高昂。而且還有個關鍵問題，就是這些生產出來的反物質粒子它們的壽命都非常短，轉瞬即逝，科學家只能通過探測它們存在過的跡象來確認其存在。你說，如果要是能把這些製造出來的反物質保存下來，相信研究起來肯定方便得多，而這正是目前科學家們正在做的事。

【存儲運輸反物質】

其實在當年反氫原子剛被造出來的時候，科學家就已經在嘗試存儲這些反物質粒子了。比如2011年，歐洲核子研究中心的ALPHA實驗就成功捕獲反氫原子超過了16分鐘，創下了當時“存儲”反物質的最長時間記錄。

對於反物質這種宇宙級的危險品，到底該怎麼保存呢？畢竟現實中到處都是普通物質（包括空氣裡），反物質隨時隨地灰飛“湮”滅。科學家目前想到的辦法非常直接，就是低溫+磁陷阱。

首先，他們設法將這些反物質粒子的溫度降到0.5K，也就是-272.65℃，接近絕對零度。此時這些反粒子由於處於低能狀態，運動遲緩，所以很容易被“抓住”。“抓住”以後，再想辦法把它們控制在真空中，不能讓它有任何與普通物質接觸的機會。怎麼控制呢？對，磁場，通過製造一個磁場陷阱，我們就可以把這些帶電的反粒子束縛在一小塊空間內，這樣就算把它們臨時存儲起來了。

為什麼是“臨時”存儲呢？因為反物質實在太容易湮滅了，畢竟“真空不空”，製備超高純度的真空環境本就不容易，反物質粒子還那麼稀少，所以用不了多久它們就會因遇到普通物質而湮滅。看見了吧，遇見優秀的人抓緊表白，不然很快人家就脫單了(⑅˘̤ ᵕ˘̤)♡

就拿反氫原子來說，早期人們只能把它維持0.17秒，也就一眨眼的功夫。後來，經過幾十年的努力，現在科學家終於把存儲時間延長到了1000秒（也就是大概16分鐘）。這是反氫原子，如果是反質子的話會相對容易一些。比如2016年，在歐洲核子研究中心的重子-反重子對稱 (BASE) 實驗中，科學家成功將反質子束縛在容器中長達405天。

“打包”沒問題，下一步就可以考慮怎麼“運輸”了。

最近，歐洲核子中心有了一個新專案（BASE-STEP），科學家計劃批量存儲十億個反質子長達數周，並嘗試把它們運送到其他地方，這樣一來就可以讓更多的實驗室參與到反物質的研究中。

為實現這一目標，專案團隊開發了足夠小的可行動裝置，其中包括超導磁體、低溫冷卻系統以及超高真空室等。這些設備雖然小巧，但卻能在保證反質子安全的前提下，實現卡車運輸。

科學家第一步會先用質子代替反質子，並嘗試在研究中心的園區內部進行運輸測試。

2024年10月，研究團隊成功完成了70個質子的運輸測試。既然質子能做到，反質子也不會有太大問題，唯一要注意的，只是需要一個更好的真空室而已。

今年（2025年），團隊計劃將質子替換為反質子進行正式運輸，屆時這將成為人類歷史上的首次反物質運輸。

好了，這期算是把反物質說透了，包括什麼是反物質、怎麼製造反物質、現在的製造水平什麼樣，以及目前反物質是如何存儲和運輸的，至少科普程度能說的也就這些了吧。如果喜歡這樣的內容，別忘了點讚關注。

[1] Michael A. Fedderke, David E. Kaplan. et al. Fireball antinucleosynthesis. Phys. Rev. D 109, 123028. (2024).

[2] STAR Collaboration. Observation of the antimatter hypernucleus Λ¯4H¯ . Nature 632, 1026–1031 (2024).

[3] Aumann, T., Bartmann, W., Boine-Frankenheim, O. et al. PUMA, antiProton unstable matter annihilation. Eur. Phys. J. A 58, 88 (2022).