+关注

手机看

微信扫一扫，随时随地看

反物质研究到哪一步了？目前能造出多少反物质？（文字版）

Linvo说宇宙

2025-03-28 09:37发布于天津科普领域创作者

+关注

AI划重点 · 全文约4951字，阅读需15分钟

1.反物质是物理学概念，与普通物质相反，具有电荷相反、量子数不同等特点。

2.目前已能人工制备反物质，如反氢原子、反质子等，但生产反物质的效率较低，成本高昂。

3.存储反物质的方法为低温+磁陷阱，通过降低温度和制造磁场陷阱来束缚反粒子。

4.然而，反物质的寿命非常短，需要开发更先进的技术来保证其安全存储和运输。

5.目前，科学家正在尝试批量存储反质子长达数周，并计划将其运送到其他地方。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

00:00

倍速

3.0X

2.0X

1.5X

1.25X

1.0X

0.75X

0.5X

语言

多音轨

静音播放中，点击恢复音量

你可以刷新试试

视频信息

1.33.6

播放信息上传日志

视频ID

VID

播放流水

Flowid

播放内核

Kernel

显示器信息

Res

帧数

缓冲健康度

网络活动

net

视频分辨率

编码

Codec

mystery

按住画面移动小窗

- 文字版 -

“您的反物质即将送达，请准备签收” 等一下，反物质不是一碰就炸吗，这怎么送？

反物质，乍一听很像科幻小说里的东西，但实际上它可是正儿八经的物理学概念。但和暗物质、暗能量那些不一样，反物质这东西在现实中是早就实打实被发现了的，甚至我们已经可以人工制备反物质。那人类目前拼尽全力能造出多少反物质？现实中我们对反物质的研究到了什么程度？用反物质做能源离我们还有多远？

想说清楚这些问题，我们还得先从“什么是反物质”说起。虽然反物质这东西之前没少说，“俗说量子”系列里还专门做过一期，但当时更多是从科学史的角度进行的介绍，主要说了反物质是怎么被预言出来，后来又是怎么被发现的等等。今天我们换个角度，着重从物理学角度详细说说“反物质”这个“既科幻又现实”的东西。看完本期视频，相信你对反物质的了解将超过身边99.99%的人（也算是“万里挑一”了）。

【什么是反物质】

反物质，顾名思义就是和普通物质相反的东西。啥相反呢？有人说了：电荷相反。但是宏观物体通常是不带电的，比如有个反物质人，那TA和普通人看起来应该没啥两样。但是我们知道，物质是由原子构成，原子又由质子、中子和电子构成。反物质呢？它也有这些粒子，只是这些粒子携带的电荷是相反的。比如正常的电子带负电，反电子就带正电（正电子）；正常的质子带正电，而反质子则带负电。没错，构成物质的粒子携带相反电荷是反物质区别于普通物质的一个最明显特征。

除了电荷相反外，反物质和普通物质也有一些其他区别，比如说某些量子数不同。所谓量子数，它是量子力学中用来描述粒子状态的参数，有各种各样的类型，反物质主要涉及其中的重子数和轻子数。“重子数”用来描述一个系统中重子的数量，比如质子、中子这些参与强相互作用、质量相对比较大的粒子它们的数量；同理，“轻子数”就是用来描述轻子的数量，比如电子、中微子这些不参与强相互作用、质量相对比较小的粒子它们的数量。

注意：光子不参与强相互作用，而且质量也为0，你说光子算轻子么？欸，不算，光子既不属于轻子，更不属于重子，因为它属于玻色子（重子轻子属于费米子）。至于什么是玻色子这就不展开了，不然没完没了了。

好，说回来。反物质它的重子数和轻子数有什么不同呢？我们知道，正反物质相遇会发生湮灭反应，也就是构成物质的粒子会全部转化成能量（也就是光子）和其他粒子。比如无论是质子和反质子相遇，还是电子和反电子相遇，最终它们都会转化成能量并以光子的形式释放。

在这个过程中，质子的重子数是+1，光子不属于重子，所以它的重子数是0，而湮灭反应过程量子数守恒，因此反质子的重子数只能是-1。

质子（+1） + 反质子（-1） → 光子（0）

同理，电子和反电子的湮灭过程也是一样。电子的轻子数是+1，光子的轻子数是0，因此反电子的轻子数是-1。

电子（+1） + 反电子（-1） → 光子（0）

发现了吧，反物质和普通物质的另一个区别就是在重子数和轻子数上也是相反的。

除此之外，你甚至可以按费曼的观点认为，反物质就是逆着时间方向运动的普通物质。因为在费曼图中，普通电子的轨迹是从过去到未来，但是正电子的轨迹是从未来到过去。欸，哪天你碰到一个来自未来的人，记得离他远点，因为他很有可能是个反物质人。开个玩笑，并不是说反物质真的来自未来，这其实只是一种数学上的等价，方便理论计算而已。

相信不少人最早听到“反物质”这个概念应该是在科幻作品里，像什么反物质引擎啦、反物质炸弹什么的。大部分科幻作者之所以在作品里引入反物质，我估计主要还是嫌核能不给力。毕竟，哪怕是核聚变，能量转化效率也就0.7%而已。而反物质呢？刚才说了，湮灭反应会将物质的所有质量转化成能量释放出去，转化效率100%。根据质能公式（E=mc^2），任何一丁点质量只要乘上光速（而且还是光速的平方），最终结果都将是个天文数字。

比如用1克普通物质和1克反物质湮灭，两者释放出的能量大约是1.8×10^14焦耳，这相当于一次性往广岛投下了4颗原子弹！换个不那么暴力的例子，假如一辆汽车使用反物质驱动，那么只需1粒米重量的反物质便能够驱使它行驶几千万公里！和它一比，现在的新能源汽车简直就像玩具。哪怕是Tony Stark的方舟反应堆，那也得往后稍稍。

可惜的是，反物质这种东西现实中几乎找不到。宇宙中的所有东西（甭管是行星、恒星还是星系），它们全都是由普通物质构成的。而根据大爆炸理论，宇宙在诞生时应该产生了等量的正反物质才对。于是问题来了：为什么现在宇宙中只有正物质，反物质去哪了？这个问题也是现代物理学中的一个未解之谜。

当然，这个问题你可以用人择原理来回答：你之所以能问出这个问题，说明当初正反物质就不是完全对等的。不然它们全部湮灭后，宇宙里应该只剩下能量，不会有任何物质，也不会有任何生命，更不会有任何人来问出这个问题。所以现在来看，当初的正物质肯定是比反物质多了那么一丢丢，正是因为多出来的这么一丢丢，才有了今天的世间万物。假如当初多出来的不是正物质而是反物质的话，那现在这个宇宙可能就成了个反物质宇宙。当然，对于反物质宇宙里的人来说，也许TA们是正常的，而我们才是“反”物质。

虽然我们的宇宙中所有天体（黑洞除外）它们几乎全都是由普通物质构成，但反物质也不是一点没有。当年在宇宙射线中人们就发现了第一个反物质——正电子，后来国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02）还探测到过比正电子质量大得多的反氦核。

但是宇宙中天然存在的反物质粒子不仅数量稀少而且转瞬即逝，毕竟宇宙中到处都是正物质，反物质一不小心就会撞上，立马湮灭。所以在宇宙射线中发现反物质粒子全凭运气，而这就给研究反物质带来了不便。于是就有科学家开始琢么：我们能不能直接造点反物质出来呢？这样想什么时候研究就什么时候研究，多好，是吧。

【制造反物质】

要想制造反物质，得先造出反原子，要造出反原子，得先造出反电子和反质子（最好还能有反中子）。这里面反电子的制造难度是最小的，一些放射性同位素的衰变过程就能释放正电子。而且由于质量比较小，即使通过粒子加速器，制造正电子的能量也相对低得多。

但是制造反质子就难了，因为质子的质量足足是电子质量的1800多倍。这意味着，制造反质子需要足够大的能量才行。

1955年，两位美国物理学家埃米利奥·塞格雷和欧文·张伯伦，他们利用当时最大的粒子加速器将一束质子加速到了6.2GeV，然后让它们以接近光速的速度撞击靶材料（铜或铍）。在碰撞瞬间，质子的动能被集中在一个极小的空间区域内，形成极高的能量密度。这些能量大到足以转化为质量，生成相应的粒子-反粒子对，其中就包括质子和反质子对。反质子的发现进一步证明了现实中确实存在反物质这种东西，塞格雷和张伯伦也借此获得了1959年的诺贝尔物理学奖。

既然能撞出反质子，那反中子应该也没太大问题。果不其然，就在发现反质子的第二年（1956年），科学家就发现了反中子。欸，这时候就有人问了：质子带正电，反质子带负电，没毛病，但是中子它不带电呀，那反中子是怎么一回事呢？

其实很好理解，不管质子还是中子，它们都不是基本粒子，而是由夸克组成的复合粒子。由于夸克是带电荷的，所以自然也存在反夸克，由反夸克组成的质子和中子，自然就是反质子和反中子。除此之外，反中子在重子数、磁矩方向等方面也和中子是相反的。

好了，现在反电子、反质子包括反中子都有了，那么下一步就可以尝试制造反原子了。

1995年，欧洲核子研究中心（CERN）首次制造出了反氢原子，这也是当时发现的最重反物质。注意，这时候还没用到反中子，只用到了反质子和正电子。

科学家先是用粒子加速器产生一些反质子，刚产生出来的反质子能量非常高（接近光速），为了能让它们更好的和正电子结合，科学家需要先把这些反质子导入到低能反质子环（LEAR）中使其进行减速。为啥要减速呢？因为放射性同位素衰变产生的正电子能量较低，太快了容易和它擦肩而过，只有速度足够慢才能让两者有机会“粘”在一起，形成反氢原子。即便是这样，反质子和正电子成功结合的概率仍然非常低，最终科学家只制造出了9个反氢原子。

2000年，欧洲核子研究中心的科学家把之前的低能反质子环升级成了反质子减速器（AD），通过它人们在两年后（2002年）成功制造出了5万个反氢原子，终于在一定程度上实现了反氢原子的批量化生产。

打这之后，科学家把关注的重点放在了制造更重的反物质原子核上，而不是非要让它们和正电子结合成反物质原子。毕竟，原子核才是构成原子最主要的部分，研究反物质主要研究的就是反原子核。当然，从技术难度上说，让原子核与电子结合确实更困难，需要额外考虑很多事，总之它不是现阶段的研究重点。

如果之前的反氢质量是“1”的话，没过几年“最重反物质”的纪录就突破了“3”。

2010年，美国布鲁克海文国家实验室的科学家通过相对论重离子对撞机（RHIC）首次制造出了含有超子的反原子核——反超氚。

什么是反超氚呢？“氚”我们知道，就是氢的同位素，只是比氢多了两个中子。

“超”是说它包含了1个超子。所谓“超子”，其实和重子差不多，只是构成重子（比如质子、中子）的是上下夸克，而构成超子的除了上下夸克外，至少还含有一个奇夸克。

当然这里对应的是反奇夸克，含有它的超子就是反超子。所以呢，反超氚就是由1个反质子 + 1个反中子和1个反Λ超子组成的反超核。

紧接着第二年（2011年），还是在重离子对撞机上，这次人们把最重反物质纪录提高到了4，搞出了反氦-4。

反氦-4，又名反阿尔法粒子，它由2个反质子和2个反中子构成。

别看只把纪录提高了1，但技术难度可以说是指数级上升。科学家先要生产出足够多的反氦-3，然后在这基础上再产生反氦-4。据统计，平均每一万个反氦-3才能产生一个反氦-4。科学家在用金核对撞了10亿次后，最终在数据中发现了18个反氦-4。

虽然这两年科学家又发现了与反氦-4质量相当的反超氢-4和反超氦-4，但是在很长一段时间内，它们可能已经是我们能够制造出的最重反物质了。因为下一个更重的反原子核产生的可能性只有反氦-4的百万分之一，凭借现有的加速器技术这几乎是不可能实现的。

“质量”上不去，能不能提高“产量”呢？轻就轻了，可以多造一些嘛，把总质量提高上去也可以嘛。只能说，这条路依然很难。

位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）可以说是目前最先进的反物质生产设施，然而它每年也只能生产亿分之一克的反物质。假如以这种方式来制造反物质，哪怕是制造1纳克（也就是0.000000001克）的反物质（大概150万亿个反氦-4），那至少也要上百年的时间，而整个过程消耗的电力也将是个天文数字。

所以，虽说目前已经能够人造反物质，但是生产反物质的效率非常低，成本也极其高昂。而且还有个关键问题，就是这些生产出来的反物质粒子它们的寿命都非常短，转瞬即逝，科学家只能通过探测它们存在过的迹象来确认其存在。你说，如果要是能把这些制造出来的反物质保存下来，相信研究起来肯定方便得多，而这正是目前科学家们正在做的事。

【存储运输反物质】

其实在当年反氢原子刚被造出来的时候，科学家就已经在尝试存储这些反物质粒子了。比如2011年，欧洲核子研究中心的ALPHA实验就成功捕获反氢原子超过了16分钟，创下了当时“存储”反物质的最长时间记录。

对于反物质这种宇宙级的危险品，到底该怎么保存呢？毕竟现实中到处都是普通物质（包括空气里），反物质随时随地灰飞“湮”灭。科学家目前想到的办法非常直接，就是低温+磁陷阱。

首先，他们设法将这些反物质粒子的温度降到0.5K，也就是-272.65℃，接近绝对零度。此时这些反粒子由于处于低能状态，运动迟缓，所以很容易被“抓住”。“抓住”以后，再想办法把它们控制在真空中，不能让它有任何与普通物质接触的机会。怎么控制呢？对，磁场，通过制造一个磁场陷阱，我们就可以把这些带电的反粒子束缚在一小块空间内，这样就算把它们临时存储起来了。

为什么是“临时”存储呢？因为反物质实在太容易湮灭了，毕竟“真空不空”，制备超高纯度的真空环境本就不容易，反物质粒子还那么稀少，所以用不了多久它们就会因遇到普通物质而湮灭。看见了吧，遇见优秀的人抓紧表白，不然很快人家就脱单了(⑅˘̤ ᵕ˘̤)♡

就拿反氢原子来说，早期人们只能把它维持0.17秒，也就一眨眼的功夫。后来，经过几十年的努力，现在科学家终于把存储时间延长到了1000秒（也就是大概16分钟）。这是反氢原子，如果是反质子的话会相对容易一些。比如2016年，在欧洲核子研究中心的重子-反重子对称 (BASE) 实验中，科学家成功将反质子束缚在容器中长达405天。

“打包”没问题，下一步就可以考虑怎么“运输”了。

最近，欧洲核子中心有了一个新项目（BASE-STEP），科学家计划批量存储十亿个反质子长达数周，并尝试把它们运送到其他地方，这样一来就可以让更多的实验室参与到反物质的研究中。

为实现这一目标，项目团队开发了足够小的可移动设备，其中包括超导磁体、低温冷却系统以及超高真空室等。这些设备虽然小巧，但却能在保证反质子安全的前提下，实现卡车运输。

科学家第一步会先用质子代替反质子，并尝试在研究中心的园区内部进行运输测试。

2024年10月，研究团队成功完成了70个质子的运输测试。既然质子能做到，反质子也不会有太大问题，唯一要注意的，只是需要一个更好的真空室而已。

今年（2025年），团队计划将质子替换为反质子进行正式运输，届时这将成为人类历史上的首次反物质运输。

好了，这期算是把反物质说透了，包括什么是反物质、怎么制造反物质、现在的制造水平什么样，以及目前反物质是如何存储和运输的，至少科普程度能说的也就这些了吧。如果喜欢这样的内容，别忘了点赞关注。通俗易懂聊宇宙，下期见，拜拜。

[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).

↓ 提问交流 ↓

免责声明：本内容来自腾讯平台创作者，不代表腾讯新闻或腾讯网的观点和立场。