有反物质存在吗？人类在认识物质世界和精神世界时发生了许多相反的事物，例如光明和黑暗，生和死，善和恶等。从哲学的角度看世界，对立统一规律是事物发展的根本规律。世界是物质的，那么，是否存在着同我们已知的物质相对立的“反物质”呢？
20世纪20年代，英国人狄拉克建立了相对论性电子运动方程。为了解释方程中包含的负能解，他从基本粒子的对称性出发，预言了正电子的存在。1932年，美国人安德逊和尼德迈耶在宇宙线中发现了正电子。这是第一个反粒子。
正电子的发现使人们看到，物质世界远比预想的复杂。如果狄拉克的理论是普遍和正确的，就还会有反质子、反中子乃至反物质世界的存在。后来，物理学家也都逐步倾向于认为，一切粒子都有反粒子。正反粒子同质量，同寿命，同自旋，反电荷，反磁矩。
1955年，美国人塞格雷和张伯伦等人合作，利用高能质子同步稳向加速器，成功地产生了反质子。自50年代起，随着反质子的发现，反核子物理学研究兴起。反核子的研究不但涉及到整个反物质世界，而且正反核子湮灭时将放出各种介子和巨大的能量，由此可以产生许多奇特的现象。
反核子物理学研究的基本问题，是利用反电子和反质子构造出反物质原子——“反氢”。不过，人造的反电子和反质子的能量都很高，不能相互结合成反氢。科学家预测，为了使反电子和反质子安定下来，“和平共处”，从而结合成稳定的反氢，需要将它们的能量降低到千分之一电子伏特以下。1983年以来，位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心开展了反核物理学研究，设法降低反电子和反质子的能量，制造“反氢”。1996年1月，这个中心宣布：他们已经成功地合成了反氢。不过，据说实验中只产生了9个反氢原子，且仅仅存在了三亿分之四秒！根本无法对其特性进行研究。
反物质的研究关系到人类对现代物理学理论的重新理解和验证，也关系到对时空和物质的重新理解。人造反物质若能实现，无疑会改变人类对物质世界的认识。近期，美国的一些天文学家宣称，在银河中央有一个反物质喷射源，喷出的反物质高达数千光年之远。然而，现在我们还不能有把握地确定反物质是否存在。
从理论上看，宇宙中应该存在一个反物质世界。可事实上并不这么简单。经研究发现，粒子和反粒子一旦相遇，它们就会同归于尽，从而转化成高能量的γ光子辐射。可这种光子辐射人们至今还没有发现，在我们地球上很难找到反物质，因为它一旦遇到无处不在的普通物质就会湮灭。
那么，宇宙中存在着反物质吗？存在着一个反物质世界吗？按照对称宇宙学的观点，它们是存在的。这一学派认为，我们所看到的全部河外星系（包括银河系在内），原不过是个庞大而又稀薄的气体云，由等离子体构成。等离子体既包含粒子，又包含反粒子。当气体云在万有引力下开始收缩时，粒子和反粒子接触的机会就多了起来，便产生了湮灭效应，同时放射出巨大能量，收缩的气体云又开始膨胀。这就是说，等离子体云的膨胀，是由正反粒子的湮灭引起的。
按照这种说法推论，在宇宙的某个部位，一定存在着反物质世界。如果反物质世界真的存在的话，那么，它只有不与物质会合才能存在。可物质和反物质怎样才能不会合呢？怎样才能判断出宇宙中哪些天体是正物质，哪些是反物质？为什么宇宙中的反物质会这么少？这些都是留给人们待解的谜团。
1.物质的创生与反物质失踪之谜
创生这个词有许多意思，在英文中有“创造”、“创作”、“发生”之类的意思，清楚地辨明其众多意思之间的区别是很重要的。宇宙的创生可被认为是表示突然之间，物质从那混沌的、无结构的原始形态被组织到现在我们观测到的复杂的秩序和活动中，宇宙的创生也可能真地表示在先前无形的虚空中创造出物质。或者，宇宙的创生也可表示整个的物质世界，包括空间和时间，从无中突然出现。另外，还有生命及人的创生问题，我们后面再谈。
20世纪之前，科学家和神学家都认为，物质是不能用自然的方法创造（或毁灭）的。当然，物质在化学反应的过程中，形态会发生变化，但物质的总量被认为总是恒定的。科学家们在面对物质起源这道难题时，倾向于相信宇宙的年龄是无限的，这就避开了创造物质的问题。在永恒的宇宙中，物质可以是一直就存在的，于是，物质的起源这道难题也就被绕开了。这是人类的明智之举，还是无奈之举？
那种认为物质不可能以自然的方法创造出来的信念，在20世纪30年代戏剧性地崩溃了。当时，第一次在实验室里造出了物质。导致这一发现的事件便是现代物理学处于全盛时期的最好例证。
这发现过程的故事，如同其他很多同类的故事一样，是由爱因斯坦在1905年引起的。他那有名的E=mc2方程式就是“质量与能量等同”这一陈述的数学体现。质量有能量，能量有质量。质量是物质的定量，说一物体的质量是多少，就是说它有多少物质。质量大就意味着沉重，难移动；质量小就意味着轻快，容易移动。质量等同于能量这一点就意味着在某种意义上说，物质是“被锁闭的”能量。如果能找到什么方法把它释放出来，物质就会在能量的爆炸中消失。反之，如果想办法把能量集中起来，就会出现物质。
爱因斯坦的方程式是他相对论的一个副产品，在一开始进行构思时，该方程式所涉及的是以接近光速的超高速运动的物体性质。根据相对论，某物体运动所耗用的能量应该使该物体显得变重了（质量增加）。当物体以平常速度运动时，质量的增加是微小的，因为一丁点质量就相当于很大很大的能量，举例来说，1克质量相当于以目前的价格要花10亿美元才能买到的能量。然而，现代亚原子粒子加速器却能把电子和质子的速度提高到十分接近光速，获得这样的速度之后，人们观测到电子和质子的质量增加了几十倍。
当然，质量随着速度的增加而增加还不是物质的创生，只不过是现存的物质增加了重量而已。英国量子物理学家保罗·狄拉克1930年前后进行的划时代的数学推导，使得通过聚集能量造出全新的物质粒子的可能性出现了。狄拉克当时正试图将爱因斯坦的相对论及其E=mc2与20世纪物理学的另一重大革命——量子论——调合起来。量子论涉及的是原子及亚原子物质的行为。描述以近于光速的速度运动的亚原子粒子，需要有一个统一的相对论量子论。能量的放射性发射就产生以接近光速的速度运动的亚原子。
狄拉克进行了数学分析之后，提出了一个新方程式来描述高速的原子物质。该方程式成功地解释了一个当时一直令人困惑的电子的特征，即电子总是以与常识和基本几何完全相悖的方式旋转。粗略地说，一个电子得自旋两周才能再出现同一个面孔。狄拉克方程式又是一个好例，说明在探寻基本物理学的抽象世界时，数学如何必须取代直觉。
然而，狄拉克的方程式却还有令人不解的一面。方程式的各个解答正确地描述了普通电子的行为，但每一个解答都伴有另一个解答，这种相伴解答在已知的宇宙里似乎没有任何对应物。只要稍微发挥一下想像力，就可能想出这未知的粒子是怎样的东西。它们的质量和旋转方式与普通的电子一样，只不过所有的电子都带负电荷，而这些神秘粒子却要带正电荷。它们的其他特征，如它们的旋转，也要与电子相反，使这种新粒子成为电子的一种镜像。
更有意思的是狄拉克的预言。他预言说，假如能聚集起足够的能量，以前没有这种粒子的地方就会出现这么一个“反电子”，为了电荷守恒，出现这么一个“反电子”的同时，必定也得出现一个电子。这样，能量就可以以电子—反电子的形式直接用来创造物质了。
大约在这个时候（1930年），物理学家赵忠尧正用铅之类的重材料做γ射线（高能光子）穿透力的试验。他注意到，最有力的γ射线被以一种无法理解的高效率减弱了。γ射线被额外吸收，其原因当时对赵忠尧来说是个谜。但我们现在知道，那是因为生产电子—反电子的缘故。
后来，到了1933年，卡尔·安德森在用金属薄板研究宇宙线（即来自宇宙空间的高能粒子）时，头一次明确地发现了狄拉克所预言的反电子。在实验室里的受控实验中，物质被造出来了。接着很快证实了，新发现的粒子具有已预言过的一切特征，于是，狄拉克和安德森因这精彩的预言和发现分享了一项诺贝尔奖。
在其后的年月里，制造电子和反电子（反电子通常被称为正电子）成了范围广泛的实验室实验过程中的家常便饭。第二次世界大战之后，亚核粒子加速器的发展也使得受控生产其他种类的粒子成为可能。反质子、反中子也制造出来了。今天，正电子和反质子可以大批量制造，并被储存在磁“瓶”里。镜像粒子或曰反粒子都被称为反物质。现在，人们在物理实验室里例行公事般地制造反物质。
有了这些事实作后盾，人们似乎摸到了门路，可以对一切物质的本源给出一个自然的解释了。即发生大爆炸时，有大量的能量，使物质和反物质得以断续地大量产生出来。最后，爆炸热冷却下来，这些物质就聚集成恒星和行星。不幸，这简明的解释却有个大漏洞：因为物质遇上反物质时，二者会彼此湮灭，同时会有剧烈的能量释放，而这正与物质创造的过程相反。
因而，由物质和反物质混合组成的宇宙是极不稳定的。在我们的星系中掺加反物质得有非常严格的条件限制，因而，反物质的量是微乎其微的。
那么，那些该有却不在的反物质都到哪里去了呢？在实验室中，每造出一个粒子，就必有一反粒子。照理说，宇宙中的物质与反物质之比该是一比一，但多次观测的结果却排除了这种推断。有些天体物理学家提出一种假说，认为物质和反物质不知怎么彼此分离开来，彼此天各一方了。这些天体物理学家试图以这种假设来解释反物质的失踪之谜。或许，一些星系是由反物质组成的，另一些星系是由物质组成的。然而，迄今为止，还没有人提出过令人信服的物质与反物质的分离机制。因而，对称宇宙论失宠了。
于是，那些坚持认为大爆炸与宇宙创生是一回事的科学家们，显然就必得假定，某一超自然的过程以违反一切物理学定律的方式，把没有反物质相伴随的物质注入进宇宙，然而，“在奇点处一切定律都失去了效用”这一类的含糊其辞，并不能减轻人们的疑虑。
但最近，出现了一条或许能走出这一困境的路径。尽管在实验室条件下，物质和反物质总是成双产生的，但在大爆炸的超高温条件下，很可能可以多出一点点物质。那种试图对自然界的四种基本力给予一个统一的描述的理论研究，使人们产生了上述的想法。根据理论计算，在温度高达1027度时（这一温度只能在宇宙创生的头10-36秒才能达到），每产生10亿个反质子，同时就会产生10亿零1个质子。同理，电子也会比正电子多出10亿分之1.
虽然只多出这么一小点，但其意义却十分重大。在后续的大厮杀中，10亿成对的质子和反质子彼此湮灭，留下了一个未配对的质子和一个孤立的电子，这些近乎是大自然计划外的添加物的剩余粒子，就变成了后来构成所有星系的物质，所有的恒星和行星，还有我们人类本身，都是由这些物质构成的。根据这一理论，我们的宇宙是由微量剩余的非均衡物质构成的，这些物质是那难以想像的瞬间大爆炸的残留物。
如同一切好理论一样，物理学家们觉得，这样解释物质的起源有相当的说服力。那么，到哪里去找可靠的证据呢？
现在似乎有了两个可验证的计算结果。第一个结果与大爆炸之初的10亿粒子与反粒子大规模互相湮灭有关。10亿粒子和反粒子相互湮灭之后，还会剩下一个多余的粒子，同时，伴随湮灭所释放出的能量也必会留存下来，很可能就是以热的形式留存下来。正如我们在前面的一章里讲到的那样，宇宙确实是浸泡在大爆炸所留下的热辐射里。那么，把每一现存的原子的热能加起来，看看其数目是否与十亿分之一的计算相符合，这是很简单的事。结果发现数字的确相符，至少可以用很说得通的模型来找出一致性。因此，这一理论不但解释了物质的起源，而且也说明了宇宙的确切温度。这确实是项了不起的成就。
然而，还需要更进一步的证实，才能够有把握地宣布物质的创造不是来自神。假如实验室能够提供某种直接的证据，证明物质与反物质之间确有明显的不对称，那将会最让人信服。我们很可能快要幸运地获得这样的证据了。
预言物质生产会有微量剩余的理论，也同样预言：根据产生微量剩余物质的机制，也会有物质的自发性微量毁灭。这种理论认为，在极长的时间里，质子会衰变成正电子，而正电子会进而湮灭电子。这样，一切物质最后注定要归于消失。但其时间尺度是如此之长，以致一个人的身体在其一生中平均才失掉大约一个质子。为了验证这一理论，科学家们正在地下深处（为的是消除宇宙线的干扰）研究观察极大量的物质，试图揪住一个正在消失的质子。因为这样的研究观察过程从根本上说是统计性的，所以要耐心的等上几个星期才能观测到偶然的反常衰变，要知道，一个质子的平均寿命至少是1030年。这研究观察过程的原理就是堆积起成千上万吨的物质（这些物质就代表着大量的质子），以找出偶然的随机事件。现在，正在进行着好几个这样的试验，而其中至少一个实验已经显示出一些可能的质子衰变事件。
任何人若想从物理现象中推导出上帝的存在，都得面临一个基本的问题，这问题就是物质的起源。物质在没有反物质的情况下出现，这在先前似乎是奇迹，现在却根据进步了的科学知识，似乎用普通的物理道理就可以解释了。不管某一具体事件是多么令人惊讶，多么不可解释，谁也不敢绝对有把握地说，在将来某一遥远的时刻，人们找不到一个自然现象来解释那令人惊讶的事件。
2.物质与反物质同量将发生可怕的绝灭
反物质听来就像是某种特别由《星球旅行》的作者发明的东西，一种被用来威胁消灭英雄的科幻小说情节设计。但是，保罗·狄拉克不能回避“反粒子”的存在。他尽可能地努力，在1929年，他进行了合并某些特别相关和量子力学的元素的计算。他断定，任何时候，当能量转化为质量时，必定产生具有等量物质与反物质的物质。每个原子粒子都必定有其对立面。质子必定有反质子作为其反物质的变体。如果有电子，则必有反电子，也就是现在的所谓正电子。作为变体，除了其电子荷是相反的之外，每个反粒子都有正好一样的质量、行为等等。
将质量转化为能源的观点是很容易理解的。当我们看到太阳照耀或蜡烛燃烧时，我们就理解了它。在蜡烛燃烧时，可以用原始质量的数十亿分之一来计量实际被转化为能量的质量总量。核聚变（像氢弹或太阳中的那样）将百分之零点五的质量转化为能源。但如果物质与反物质相接触，则会导致完全有效的转化，也就是说，百分之百的物质会被转化为能源。显然，科学家们想要发现并控制这样一种有效的能量源，正如《星球旅行》的作者使用将反物质作为其飞船的燃料一样。
1932年，反物质被发现，理论上的建议也进入到观测学界。卡尔泰克的卡尔·安德森检测了其具有与一个电子一样质量（但其带正电荷而非负电荷）的云室中的一个粒子。他将这个粒子的雾化尾迹拍摄成像，证明它采用了带正电荷粒子的路径。人们认为这种正电子很少有，可能是由于与高层大气中的高能量宇宙粒子碰撞的结果。后来，像50年代用粒子加速器在劳伦斯·伯克利实验室生成其反物质的物理学家一样，迪拉克和安德森获得了诺贝尔奖。通过创造质子之间的高能碰撞，埃米利欧·塞格里和阿文·钱伯林生成了质子与反质子对，证明在能量转化为物质时，会产生同量的反物质。
仍然还有一个令人疑惑的问题：为什么最初创造的物质没有导致整个宇宙中物质与反物质的同量？有人援引人类学的原则简单地将这个现象解释为宇宙不许是这样的，否则我们就不会在这里谈论这个问题。如果那时已产生了同量的物质和反物质，那么，就像狄拉克的计算表明的那样，就已经发生了可怕的绝灭。我们的宇宙就会是由一望无际的光子汤构成的，如果这样的宇宙延续时间像我们的宇宙一样长的话，这就意味着到处都是微波背景辐射。
因等离子理论而闻名的翰尼斯·阿尔文对这个疑问提出了一个看来比较合逻辑的解释。按照他的解释，宇宙的一半是由等离子构成，正如我们在能量向质量自然转变方面的预料的那样。只是由于反物质产生与物质相同的外表和光谱，因而我们不能检测一半的星体是反星体这个事实。阿尔文的理论预言有一定量来自不断轰击我们外层大气层的反星体的离散反粒子，大气层大多会被破坏。在70年代，乔治·斯穆特领导一个研究小组通过高空气球测试寻找这些反粒子。他们的测试证明没有一个反粒子。这些否定的结论是与替代大爆炸理论的阿尔文理论（包括等离子和反物质爆炸）不一致的。
今天，科学家们有一个更好的解释，但它已经迫使他们承认导致形成我们所居住的这个宇宙的另一个经精确调整的参数。物理学家相信，在大爆炸的最初一瞬间，物质和反物质就同时产生了，但物质的粒子一定是比反物质的离子略多一个临界量。物质粒子与反物质粒子相互消灭，留下比较少量的物质（其继续变成我们宇宙的量子或物质粒子）和大量的光能（光子，其继续变成宇宙的背景辐射）。预测的结构符合我们目前的观测，即每个量子至少10亿光子的比例。但物理学家仍然面临着问题：为什么应当产生了略多于反物质的物质？
诺贝尔奖获得者史蒂芬·维因伯格解释这个略多的物质是如何至关重要的：
“如果没有略多于反电子的电子，以及略多于反夸克的夸克，则今天的宇宙就会没有像电子和夸克这样的普通粒子。正是宇宙初期这种多于反物质的物质（估计约为1010分之一，即一百亿分之一）残留下来，三分钟后形成光原子核，然后，在一百万年后形成原子，后来，又被‘煮’成星体中的重元素，最终提供使生命得以产生的物质。”
在同一篇文章中，维因伯格考虑了这样一个事实：我们的科学几乎完全不能解释之所以存在这种初始条件的原因。物理学家只能推测，这要不就是我们极其幸运的侥幸，要不就是可能存在着什么目前还不得而知的自然原因。乔治·斯穆特——反物质的过去探索者写到：“这可能看来像是这样的：我们生存于其中的这个宇宙是一个幸运破坏的结果：作为在适当时间打破法则的结果，产生了略多的物质。这可能是大爆炸之后的极短时间里的产物，但这只是无数的可能性中的一种。或者，这也可能是那时操纵物质的物理学法则的必然产物。至今我们还不知道。”
这种略多的物质可能不知怎么地“在适当时间打破了适当的法则”，或者其可能是作为至今不明的物理学恒量而被置于宇宙。无论是何种方式，它看来都像是再次进行的非常精确的选择。
3.将物质转变为反物质的神赐
之物：χ粒子20世纪70年代中期，宇宙学朝着一个新的方向发展了。粒子物理学家开始逐渐介入。1973年，他们成功地找到了一种关于物质在极端条件下呈现何种行为的理论。先前，他们有关物质行为的思想曾预言，当能量和温度增高时，物质的相互作用应变得越来越强，描述起来也愈来愈复杂。因此，他们对于研究由大爆炸的第一秒钟所提供的环境并不十分起劲，他们觉得还存在着更紧迫而又有可能解决的问题。然而，他们成功地对基本粒子间的高能相互作用作出的新描述却具有这样的特征：随着温度的上升和能量的增大，相互作用变得较弱、也较为简单了。这种性质称为“渐近自由”，因为如果能量无限增大的话，那么在此渐近过程中粒子之间的相互作用就消失了，它们的行为就仿佛像处于自由状态下一样。
基本粒子物理学家已开始寻找将不同的自然力纳入某种单一的“统一理论”的途径。1967年，温伯格（Steven Weinberg）和萨拉姆（AbdusSalam）首先解决了电磁力和弱力（与放射性相伴的力）如何统一的理论。20世纪70年代在欧洲核子研究中心发现了两类预期应当存在的新的基本粒子，从而出色地证实了上述理论。现在寻找的则是使强力也加入统一行列的理论，即包含上述三类力的某种“大统一理论”。
有关统一的这些尝试乍一看似乎是不会成功的，因为我们知道各种不同的自然力的强度是极不一样的，它们对各种不同类别的粒子起作用。这些截然不同的东西怎么会是一回事呢？答案是：自然力的强度随环境的温度而变化。所以它们虽然在我们生活的低能世界中大不相同，但在我们所探索的高温条件下却会极其缓慢地变化。某些业已提出而颇有希望的理论预言：这3种力在非常高的能量下——超过1015吉电子伏，相应于1028开的温度——应变得大致相等；该能量远远大于任何可以设想的地球上的粒子对撞机所能产生的能量，而与宇宙本身肇始之后约10-35秒所历经的能量相等。所以，我们也许可以凭借探索这些“大统一理论”导致的宇宙学后果，来检验它们是否具有物理意义。此外，宇宙学家可能还会发现，有关基本粒子行为的这些新预言将能解释原先尚未阐明的宇宙性质。
大统一理论认为力的强度随温度的增加而变化，从而解决了今天具有不同强度的力的统一问题。它们必须解决的另一个问题是：不同的力作用在不同类型的基本粒子上。为了全面地统一所有的粒子，它们就必须能相互转化。这就要求存在质量非常的新的传递物，这些重粒子仅在宇宙热得足以使它们由粒子碰撞而产生时才大量地出现。这类理论预期，几乎必不可避免地会出现两类新粒子。第一类我们称之为X粒子，它似乎是一种神赐之物。人们预期它具有任何已知的物质基本粒子皆不具备的某种性质：它可以将物质转变为反物质。只有能够发生这样的转化，才有可能存在一组关于基本粒子相互作用的真正统一的定律。
这一特征使这些大统一理论能够为宇宙中某种奇怪的“一边倒”现象作出解释。自然界中的每一种基本粒子都有一种“反粒子”，它们两者之间的诸多性质（例如电荷）正好都取相反的值，即具有相反的正负号，恰似一块磁铁的北极正好与其南极相反一般。虽然粒子物理学的实验室实验产生粒子和反粒子时两者是完全平等的。但当我们观看宇宙空间或者收集宇宙线时，却发现只有物质而没有反物质。宇宙仿佛是由物质而不是反物质占着主导地位。不过，使事情显得更加令人费解的是，如果物质不能转化为反物质的话，那么宇宙中物质与反物质数量的总体不平衡就永远不会改观了。于是，如果今天宇宙中物质占据主导地位——人们已观测到了这种不平衡性，那么为了对此作出解释，我们就必须对宇宙的开端有所了解。面对这一结论，科学家们反躬自问：会不会存在着某个更自然或更对称的状态，人们可以想象它是由某种迄今尚未发现的自然原理挑选出来的。唯一“自然的”初始状态看来就是物质与反物质均等的状态。但是，如果物质不能转变为反物质的话，那么这样一种状态就不可能转变为我们今天所见的“一边倒”状态，完美无缺的初始平衡必须被保留下来。
这样，新的大统一理论就要求X粒子来充当救星了。X粒子和它们的反粒子以不同的速率衰变为其他形式的粒子和反粒子。结果，物质与反物质之间完全平衡（相同数目的X粒子和反X粒子）的初始状态，就可以通过宇宙极早期阶段中的这些衰变，而自然转化为某种“一边倒”的状态。
