地球上構成我們的物質是由原子組成的：核心是質子和中子，電子圍繞原子核運行，以各種方式結合形成我們周圍的世界。對於物質的每一個基本粒子和複合粒子，都有其反物質對應物：質子對應反質子，中子對應反中子，電子對應正電子，等等。當物質和反物質碰撞和相互作用時，它們會湮滅，產生自然量子定律以及愛因斯坦最著名的公式 E = mc² 所允許的純能量和粒子。
但物質和反物質相互作用時總是會湮滅嗎？難道其他類型的互動不是可能的嗎？這引起了訂閱者的興趣，他寫道：
“什麼物理原理規定物質和反物質相遇時必須湮滅？從邏輯上講，當物質被創造出來時，反物質可以（但不一定）被創造出來以滿足守恆定律。時間可逆性意味著電子和正電子可以轉回為光子，但它們不能也形成電子-正電子原子嗎？中子和反中子不能互相排斥嗎？”
物質和反物質的湮滅似乎是不可避免的，但它真的100%發生嗎？如果它們真的湮滅了，什麼物理原理決定了這一點？這些都是有趣的問題，物理學確實提供了答案。讓我們弄清楚一下。
當自由電子與原子核重新結合時，它們會級聯降低能級，發射光子。為了在早期宇宙中形成穩定的中性原子，它們必須達到基態而不產生潛在的電離紫外光子：這是一個複雜的過程，意味著中性原子直到熱大爆炸開始數十萬年後才形成。
每當兩個粒子彼此靠近時，它們就有可能（但不能保證）發生相互作用。相互作用的概率是使用所謂的橫截面來確定的：一個粒子必須“撞擊”另一個粒子的有效面積。我們知道，質子和中子等粒子具有一定的尺寸：半徑略小於飛米（10^-15米），而電子被認為是點狀的，最小半徑應小於飛米的十分之一。阿米計（10 ^-19 米）：這個數位是通過深度非彈性散射實驗得知的。
看起來，考慮到這些物體的大小，我們可以簡單地通過假設它們是具有一定半徑的球體來估計它們的橫截面，並且它們的橫截面將等於圓的面積：πr² 。如果我們以經典的方式考慮它們，這將是相當合理的：例如，作為檯球。
但這假設粒子和反粒子的相互作用是簡單而經典的：它們像檯球一樣相互“彈跳”，除非它們完全對齊併發生物理碰撞，否則它們不會相互作用。但這根本不是真的。
已有 100 多年歷史的傳統原子模型代表一個帶正電的原子核，帶負電的電子圍繞該原子核運行。儘管這張圖來自過時的玻爾模型，但我們只需考慮量子不確定性就可以得出更好的模型。
例如，考慮由自由質子和自由電子形成中性原子。質子的大小約為飛米，而電子則更小。但要形成原子，不需要電子與質子碰撞；只需將質子碰撞即可。電子足夠接近質子（大約 10^-10 米）就足以發生形成束縛中性原子的量子過程。當質子和電子發生電磁相互作用時：
自發發射輻射量子>
形成與質子（激發原子）的束縛態，
然後電子沿著原子內的各個能級級聯，
在每個階段發射一個光子，
直到它達到基態，成為穩定的中性氫原子。
換句話說，由於質子和電子這兩個粒子之間存在束縛態，因此我們必須考慮這樣一種可能性：它們可能形成這種束縛，而不是像正常散射過程中那樣簡單地相互“彈跳”以某種方式相互作用的狀態：電磁 此外，由於這些粒子是量子的（而不是“經典”粒子，其行為總是像檯球），我們不能簡單地將它們視為具有特定橫截面的球體。
該圖說明瞭位置和動量之間固有的不確定性關係。當一件事被更準確地瞭解時，另一件事本質上就不太可能被準確地瞭解。其他成對的共軛變數，包括沿兩個垂直方向旋轉的能量和時間，或角位置和角動量，也表現出相同的不確定性關係。
相反，我們必須認識到，這些粒子，無論它們相對於彼此運動的速度有多快或能量有多高，本質上都是量子粒子。這也適用於反粒子；我們談論的是物質還是反物質並不重要。因為它們本質上是量子的，所以它們的位置無法精確確定，但具有固有的不確定性：每個粒子（或反粒子）的動量已知得越精確，這種不確定性就會增加。這是由於海森堡測不準原理的一個體現，該原理指出：
Δx Δp ≥ ℏ/2，其中 x 是位置，p 是動量，ℏ 是普朗克常數。
每當兩個（或多個）量子的波函數之間存在重疊時，就有兩種解決問題的方法。我們可以從理論角度來解決，使用量子場論來計算諸如橫截面、振幅和獲得各種最終狀態的概率之類的東西，包括簡單的前向散射（反彈）、過渡到束縛態（穩定或不穩定）之類的東西），或相互作用和/或湮滅形成各種產物。在物理學中，必須考慮未明確禁止的每個結果的概率，無論它有多小。
高能粒子可以與其他粒子碰撞，產生可以在探測器中看到的新粒子流。通過重建各自的能量、動量和其他屬性，我們可以確定最初發生的碰撞以及結果發生的情況。
我們還可以從實驗的角度來解決：只需直接測量這些量，包括前向散射、束縛態形成，以及在物質和反物質的情況下，湮滅產生各種衰變產物的可能性。與您的想法或預期相反，物質和反物質的湮滅並不總是 100% 發生。
以質子及其反物質對應物：反質子為例。在歐洲核子研究中心推出大型強子對撞機（質子與質子對撞）之前，它是世界上最強大的粒子加速器和對撞機的主要研究焦點：費米實驗室的 Tevatron。當您以不同的速度/能量向對方發射質子和反質子時，結果可能會讓您感到驚訝。實驗已經證實，相互作用橫截面並不像您所期望的那樣由單個量表示，如果質子和反質子的行為就像檯球一樣。
相反，您會發現橫截面取決於能量，並且以違反直覺的方式。在約 200 GeV 及以上（超過任何和所有標準模型粒子的靜止能量的能量）等高能量下，質子-反質子橫截面與質子-質子橫截面相同，就好像一個是否存在並不重要粒子是物質，另一個是反物質或不是。
但在較低能量下，質子和反質子之間的相反電荷以及它們形成束縛態的潛力佔主導地位，並導致質子和反質子的橫截面較大。
總質子-反質子截面與可比較的質子-質子截面相比，作為能量的函數。在高能量（約 200 GeV 或更高）下，這些橫截面是相同的。但在較低能量下，質子和反質子的相反電荷以及它們形成束縛態的潛力起主導作用，並導致質子和反質子的橫截面較大。
然而，在更低能量下，質子-反質子碰撞或相互作用的橫截面比質子-質子高得多，因為在低動量下，質子和反質子有更多的時間重疊其波函數，使得至少一種其中質子內部的物質誇克（上誇克、上誇克和下誇克）可以與反質子內部的至少一個反誇克（反上誇克、反誇克和反誇克）相互作用。由於歷史原因，粒子物理學家以稱為穀倉的單位測量橫截面積，仿佛 “你試圖撞擊谷倉的寬邊”。
實際上，穀倉是一個（實際上是核）部分的單位，對應於邊長為 10 飛米（或 10^-14 米）的小正方形。10 毫巴，對應於上圖中 y 軸上的數位之間的間距，對應於側面的一個微小的平方飛米（10^-15 米）。
在討論物質和反物質時，我們經常會遇到這樣一個概念：物質可以是“正能量”狀態的粒子（如質子、中子、電子等），而反物質可以是相應的“負能量”狀態的粒子（即反質子、反中子、正電子等）。當物質和反物質碰撞並相互作用時，它們會湮滅，產生自然量子定律以及愛因斯坦最著名的公式 E = mc² 所允許的純能量和粒子。
但並不是所有的物質和反物質粒子都會湮滅併產生能量。有時，它們只是經歷彈性散射，就好像它們是檯球一樣。有時，在足夠低的能量下，它們甚至會形成束縛態，例如質子和反質子的奇異原子。在這些系統中，粒子被庫侖吸引力保持在一起，但不會發生湮滅。
沒有物理法則要求物質和反物質在相遇時必然湮滅。事實上，它們並不總是這樣做。所有種類的物質粒子（以及所有種類的反物質反粒子）與其反夥伴（或夥伴）都有有限的相互作用橫截面，這取決於能量。有時，只是存在彈性散射，就好像這些顆粒是檯球一樣。有時，在足夠低的能量下，它們可以形成束縛態，例如質子（對於質子-反質子對）或正電子（對於電子-正電子對），它們可以在粒子世界中存在相對較長的時間：長達一微秒或者 。
但是，無論是在非常低的能量還是非常高的能量下，都存在巨大的橫截面（或相互作用的概率），這會導致物質和反物質粒子相互湮滅，碰撞能量加上每個湮滅粒子的剩餘能量決定了如何通過愛因斯坦方程 E = mc²，大量能量可用於創造新粒子（或粒子-反粒子對）。儘管我們認為質子（和反質子）具有確定的尺寸，而電子（和正電子）是點狀粒子，但它們的實際橫截面取決於能量和動量，並要求我們將這些粒子視為量子實體：波函數分佈在空間，它們重疊並有機會通過量子隧道到達另一個狀態。
湮沒率（或橫截面）如此之大的原因是由於粒子的量子性質和海森堡不確定性原理，其中位置的不確定性至關重要。這進一步證明我們對宇宙的古老、經典的思考方式已經過時，並強調了量子過程在幾乎所有可以想像的亞原子過程中的重要性！