三、何为反物质反物质
在物理学上的定义，是指由具有负电荷的原子核构成的物质。反质子和反中子共同组成反原子核。这些反原子核与带正电的正电子组成了反原子，这些反原子形成的物质，就是反物质。
尽管各种物质在自然界中存在着各式各样的表现形式，但是从微观的角度观察，实际上都是由质子、中子和电子组成的。这些构成一切物质的基础就被称为基本粒子，意思是说世间万物都是由这些粒子构成的。
通常来说电子都是带负电的，但是早在20世纪30年代，就有科学家发现了带正电的电子。人们从这时开始对反物质有了初步的了解。到20世纪50年代，人们又相继发现了反质子和反中子，并且意识到，所有常见的基本粒子都存在一个与之相对应的反粒子。
反物质的性质与普通物质呈相反状态。当物质和反物质相撞，就会发生湮灭并且相互抵消。这个过程会产生巨大的能量，比氢弹释放能量的效率还要大。美国科学家使用大型原子对撞机进行了实验，通过对金原子进行对撞，得到了反氦原子。这个反原子是由反质子和反中子组成的。
宇宙中存在反物质这一事实，在很长时间里为科幻题材作家提供了丰富的想象空间。因为反物质能够与物质相撞并发出巨大的能量，因此科幻作家认为，反物质能够成为我们离开太阳系，进行星际旅行的上佳燃料。在传统的航天领域，为了摆脱地球的引力进入太空，航天器需要大量的化学燃料。
以航天飞机为例，每次发射都要耗费相当于航天飞机自身重量15倍的燃料。但是如果能够利用反物质与物质碰撞发生湮灭产生的能量来推进，那么一枚硬币大小的反物质，就足以将航天飞机送入近地轨道了。
因为我们所处的世界是由物质组成的，所以即便自然界中存在反物质，也非常容易和物质相遇并且湮灭。所以为了能够更好地研究反物质，科学家们需要在实验环境中制造出反物质粒子，并且尽可能让这些粒子停留的时间长一些，以便能够研究其特性。
早在1925年，人们就已经发现在同一个状态里只能存在一个电子，也就是泡利不相容原理。根据这一原理，如果电子的负能级已经被填满，那么正能级的电子就不会与之发生冲突了。同时，如果想要对实验中没有观察到负能电子的现象进行合理的解释，就要假设占满了负能级的电子造成的总效果是零。
也就是说，这个电子的海洋里所有能够被观察到的量的数值都是零，无论是质量还是动量都是如此，就像真空状态一样。根据这一假设能够得出一个有趣的推论，如果这个充满电子的负能级区域是真空状态，那么如果失去一个电子，就等同于出现了一个反电子。这个反电子具有与电子完全相反的特性，电子是带负电的，反电子就是带正电的。
如果一个粒子带有正能量，那么在运动时与别的粒子相撞后，运动速度会减慢。但是如果一个粒子带有负能量，那么它的运动速度会逐渐加快，甚至超过光速。但是，我们是通过与负能量粒子的反向运动来对负质量物质进行观测的，这种运动是带有正质量的反物质的运动，所以速度仍然比光速要低。物质具有负质量时，其表现形式为反物质，反物质与负质量物质的运动方向是相反的。也可以说，负质量物质在时间维度的反演就是反物质。因为时间是一维的，当它反演时，方向也会相反，这时负质量会转变为正质量。
根据已知的物理定律，两个具有正质量的粒子之间存在万有引力，所以我们可以认为，在分别具有正质量和负质量的两个粒子之间存在斥力。因为带有正质量的物质互相吸引，导致物体收缩，并且具有复杂的结构。但是负质量物质和正质量物质之间互相排斥，导致了膨胀。宇宙现在正处于一个膨胀的过程中，这说明宇宙中带负质量的物质数量多于正质量物质。虽然我们只能观测到负质量物质的反演，也就是反物质，并且我们无法直接观测到斥力。但是我们知道宇宙正在膨胀，这就说明了物质之间的斥力是确实存在的。
很多年来，虽然科学家们从理论上确定了反物质的存在，但是发现它只是最近几十年的事情。科学家们首先是通过宇宙中存在的高能粒子——γ射线，在银河系的上方发现了一些反物质的痕迹，后来又通过实验批量制造出了反物质粒子。这说明人类在研究反物质的道路上正在逐步深入，并取得了重大的进展。
1997年，美国科学家利用发射到太空的γ射线探测卫星发现了一个反物质源，该反物质源位于银河系上方，正在向外源源不断地释放出反物质。这些反物质形成了一个“喷泉”，喷涌的高度达到2940光年。美国的奋进号航天飞机在执行一次太空任务时，在国际空间站上安装了一个专门用于收集反物质粒子的科学仪器——阿尔法磁谱仪。这个磁谱仪能够记录下反物质粒子对它的撞击，并且进行分析。
科学家们认为，如果能够在宇宙中找到原子量较大的元素，如反碳等，就意味着可能存在由反物质组成的天体甚至恒星。物质与反物质之间是否存在对称性，也能通过这一发现加以证明。事实证明，较重的反物质粒子是存在的。
2000年，欧洲核子研究中心再次发布消息，称他们在实验室中已经制造出了大约5万个反氢原子。这一成果标志着人类具有了大批量制造反物质的能力。我们如果认为宇宙中的物质和反物质的数量是相等的，那么在宇宙空间中应该存在大规模的反星系区。在那些区域中，宇宙射线是由反质子与反α粒子组成的。
来自那片宇宙空间的射线会进入我们的正物质星系。因为宇宙空间是十分稀薄的，很多地方都很空旷，每立方米可能只有一个质子这样大的密度，所以反物质粒子能够畅通无阻地进行长距离旅行。如此一来，通过位于地球轨道上的太空探测器就能捕捉到它们。之前发射的阿尔法磁谱仪就是根据这一理念设计建造的。
在实际观测中，不只是能够捕捉到原始射线粒子，还能够探测到一些次级粒子。这些次级粒子是原始粒子在旅途中与其他粒子发生碰撞而产生的。我们在宇宙中发现反质子，并不一定表明在宇宙深处存在反物质区域，因为这些反质子可能是原始粒子造成的次级粒子。但是反原子核就不同了，因为它是由一系列反核子组成的复杂结构，所以无法通过碰撞产生。
如果我们能够在宇宙中发现反α粒子，哪怕只有一个，也能证明远方存在反物质天体。阿尔法磁谱仪十分敏感且精确，如果反α粒子进入了磁谱仪，就能够被分辨出来，并且能够测定它的质量和所带的电荷。2011年，新的阿尔法磁谱仪进入了太空轨道，并且源源不断地把探测结果传回地球，科学家们正随时对这些结果保持着关注。
如果我们能够通过阿尔法磁谱仪的观测结果证明宇宙中真的存在大型反物质天体，那么这一结果必定会被载入史册。因为它不仅能够证实反物质的存在，而且还将对已知的物理学理论提出挑战。在宇宙诞生的初期，正反粒子一定是彼此混合在一起的。在今天我们掌握的物理理论中，还不存在一种作用力能够将两种粒子彻底分开。所以，如果我们能够证明存在大型的被分离出去的反物质天体，那么物理学理论将会发生新的突破。
