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沒有這麼簡單。在30年代初,就有人發現了帶正電的電子,這是人們認識反物質的第一步。到了50年代,隨著反質子和反中子的發現,人們開始明確地意識到,任何基本粒子都在自然界中有相應的反粒子存在。
電子和反電子的質量相同,但有相反的電荷。質子與反質子也是這樣。那麼中子與反中子的性質有什麼差別?其實粒子實驗已證實,粒子與反粒子不僅電荷相反,其他一切可以相反的性質也都相反。這裡我們討論一下重子數的概念。
質子與中子被統稱為核子。人們從核現象的研究發現,質子能轉化為中子,中子也能轉化為質子,但在轉化前後,系統的總核子數是不變的。50年代起的粒子實驗表明,還有很多種比核子重的粒子,它們與核子也屬同一類,這類粒子於是被改稱為重子,核子僅是其最輕的代表,一般的規律是:當粒子透過相互作用而發生轉化,系統中的重子個數是不會改變的。
由於重子數的守恆性,兩個質子相碰是不會產生一個包含三個重子的系統的,那麼反核子應當怎麼產生?實驗表明,反核子總是在碰撞中與核子成對地產生的。例如
p+p → N+N+N+N'+若干 π介子
其中N代表質子或中子,N'代表反質子或反中子。反核子一旦產生,它常很快與周圍的某個核子再相碰而成對地湮滅。例如
N+N' → 若干 π介子
對於比核子更重的重子,情況完全一樣。反重子也總是與重子成對地產生,成對地湮滅的。這些經驗使人們認識到,重子數的守恆規律需要重新認識。
現在人們把重子數B當作描述粒子性質的一種電荷。正反重子不僅有相反的電荷,而且也有相反的重子數B。令任一個重子都具有重子數B=+1,則任一個反重子都具有B=…1。介子、輕子和規範子等非重子不具有重子數,即它們有B=0。重子數的守恆規律可表述為:任何粒子反應都不會改變系統的總重子數B。這表述既反映了不涉及反粒子時的重子個數不變,也概括了反粒子與粒子的成對產生和湮滅。現在我們容易理解中子和反中子的區別了,它們具有相反的重子數B,因此反中子能與核子相碰導致湮滅,而中子則不能。
此外,人們還類似地發現了輕子數的守恆性。中微子雖不帶電,也不具有重子數,但它與反中微子具有相反的輕子數。按輕子數的守恆性,中微子與反中微子的物理行為也是很不一樣的,實驗還表明,介子數和規範粒子數是不具有守恆性的。這樣我們看到,電荷只是粒子的一種屬性,另外還有用重子數和輕子數等物理量刻畫的其他屬性。正反粒子的這些屬性也都是相反的。
1928年,英國青年物理學家狄拉克從理論上首次論證了正電子的存在。這種正電子除了電性和電子相反外,一切性質和電子相同。1932年,美國物理學家安德遜在實驗室中發現了狄拉克所預言的正電子。1955年,美國物理學家西格雷等人用人工的方法獲得了反質子。此後人們逐漸認識到,不僅質子和電子,所有的微觀粒子都有各自的反粒子。
這一系列科學成果使人們日漸接近反物質世界。然而問題並不那麼簡單。首先,在地球上很難發現反物質。因為粒子與反粒子碰到一起,就像冰塊遇上火球一樣,或者一起消失,或者轉變為其他粒子。所以在地球上,反物質一旦碰上其它物質就會被兼併掉。其次,製造反物質相當困難而且耗費巨大,需要如SSC或LHC之類的高科技儀器,並且即使製造出反物質,也難以儲存,因為地球上萬物都有物質構成。
我們周圍的宏觀物質主要由重子數為正的質子和中子所組成。因此,這樣的物質被稱為正物質,由他們的反粒子組成的物質相應地叫反物質。從粒子物理的角度講,正粒子和�