15.物质和反物质
定 义：存在与正常物质性质相似但电荷相反的粒子。
发现历史：反物质由保罗·狄拉克（Paul Dirac）于1928年提出，并于1932年首次被发现。
关键突破：1967年，安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）概述了产生我们现在这种物质主导宇宙所需的条件。
重要意义：反物质消失的相关问题对宇宙学和粒子物理学都有重要意义。
根据目前的理解，宇宙大爆炸应该产生与正常物质同样多的反物质，但是现在，反物质很少见，宇宙似乎被正常物质所支配。所有这些反物质都到哪里去了？
反物质也是由基本粒子组成的物质，其电荷与正常物质相反。英国理论物理学家保罗·狄拉克于1928年首次严肃地指出了这种粒子的存在——狄拉克意识到电子的量子描述预测了具有相同属性但电荷为正的“反电子”的存在。美国物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）于1932年在美国加州理工学院成功地制造和测量了这种粒子（被称为正电子），当然现在我们知道这些粒子是由某种形式的放射性衰变自然产生的。较重的反粒子在自然界中找不到，但在1955年，埃米利奥·塞格雷（Emilio Segré）和欧文·张伯伦（Owen Chamberlain）制造出了由反夸克组成的反质子。除此之外还有反中子，它是一种不带电的粒子，由与构成中子的夸克具有相反电荷的反夸克组成。
从理论上讲，反粒子可以结合形成反原子和反分子，但直到1995年，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们才使用位于瑞士的低能反质子环（Low‒Energy Antiproton Ring）粒子加速器产生了少量的反氢原子，每个反氢原子由一个反质子和一个绕其旋转的正电子组成。
在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机等仪器中被加速至接近光速的粒子之间的碰撞可以产生相对大量的反物质。
一闪而过
反物质粒子最著名的特性是它们在遇到其正常物质对手时会发生“湮灭”。根据狄拉克方程和爱因斯坦著名的质能方程E=mc2，在湮灭事件中，正反两个粒子的质量可以直接转换为能量，以一束高能伽马射线的形式消失掉。不难理解，反物质的这种特性使其很难被研究，只能使用强大的磁场来保护它们不与正常物质发生湮灭。
反物质的性质让理论物理学家们很着迷，它们也为宇宙学家提出了一个独特的问题。在宇宙大爆炸这样的极端条件下，物质和能量本质上是可以互相转换的，并且当能量转化为物质时，它会产生平衡的粒子——反粒子对，正反粒子对会相互湮灭，释放出束缚在它们质量中的能量。最终，宇宙冷却到不再自发产生粒子的程度，但在这一时间点上，应该仍然存在着平衡，让聚在一起的正反粒子互相湮灭。
不平衡的宇宙
在这种情况下，为什么我们现在的宇宙似乎被正常物质所支配？一种可能是，这只是一种幻觉，也许我们看到的许多遥远的恒星和星系实际上是由反物质构成的。有人认为1908年通古斯大爆炸（Tunguska explosion）就是一小块反物质造成的。虽然基本上无法区分孤立的反物质天体与正常物质天体，但是恒星甚至星系之间的空间并不像看起来那样空无一物，我们期望在物质和反物质相遇的地方看到湮灭的蛛丝马迹。因为并没有观测到这样的湮灭迹象，所以大多数天文学家认为，宇宙（或者至少是可观测宇宙，这两种宇宙的概念是有区别的）基本上是由物质主导的。
显然，宇宙大爆炸本身的物质和反物质之间肯定存在不平衡——最重要的是物质夸克的过剩，这被称为重子不对称性。根据理论模型，这种不平衡在大爆炸之后的十亿分之一秒内出现，当时每十亿个反物质夸克对应十亿零一个普通夸克。1967年，苏联物理学家和持不同政见者的安德烈·萨哈罗夫提出必须满足三个条件，才能产生宇宙早期的重子不对称性。
“最终，宇宙冷却到不再自发产生粒子的程度，但此时应该仍然存在粒子和反粒子的平衡以互相湮灭。”
解释不对称性
萨哈罗夫的这些条件中最重要的一条是CP破坏——即基本物理学在高能情况下偏离CP对称性假设。简单地说，CP对称性是指，如果粒子和其反粒子（电荷共轭或C对称）或其镜像粒子（宇称或P对称）互换，那么物理定律应该是相同的。大量证据表明，CP对称性适用于涉及电磁力、引力和强力的相互作用，但在放射性衰变等有弱相互作用参与的情况下，会出现CP破坏。目前已知的弱力CP破坏都太小，不能在早期宇宙中产生重子不对称性。结果看来只有两种，要么粒子物理学的标准模型中存在大量的空白，包括一种被忽视的CP破坏的来源，要么在宇宙的偏远地区有失踪的反物质，但不知何故隐藏于我们的观测之外。
同时，在当今的宇宙中，反物质仍然以适度的规模产生，可以通过湮灭时产生的能量探测到它们的位置。正电子在超新星遗迹（如中子星和黑洞）周围的极端条件下产生，1997年，NASA的康普顿伽马射线天文台（Compton Gamma-Ray Observatory）发现了一个巨大的伽马射线源，它来自银河系中心上方的湮灭。起初，它被认为是银河系中心超大质量黑洞近来活跃地喷出反物质喷流的迹象；然而在2010年，欧空局的新一代高能望远镜“Integral”（编注：由欧空局和NASA联合研制，于2002年10月17日用俄罗斯运载火箭送入太空）的进一步观测将该射线源的不对称形状与银河系中心附近许多较小的超新星遗迹的分布联系起来。
这是艺术家描绘的想象图画，画中初生恒星的光芒照亮了早期宇宙。其中质量最大的那些恒星已经爆发成了超新星，不断扩展的冲击波将第一批重元素分散到整个宇宙中。