既然正反物质相遇会产生湮灭，那宇宙中正反物质之中是有空间在隔绝吗？ 第1页

并没有什么已知的机制能制造你说的这种隔绝，也没有观察到这种程度的高能反应。显然，（我们观测范围内的）自然界里（几乎可以认为）没有反物质。

这里面的不对称性：正物质和反物质在时间演化的时候变得不一样多，它的原因是什么，具体过程是怎样的，是现代物理学的一个基本问题。

另外，这个问题的回答真是群魔乱舞啊。

恭喜题主，发现了一个关于宇宙的重大问题！题主离诺贝尔奖只差一个合理的解释了(狗头

之前写过几个关于正反物质的回答，本篇就把这些回答做了一个总结。

不过考虑到很多非物理专业人士经常会把反物质和暗物质搞混，所以在说明反物质之前，首先区分反物质和暗物质这两个概念：

反物质：任何物质都有反物质，反物质的电荷等性质与正物质相反，质量相同，比如电子与正电子，除了电荷符号相反外其它性质均相同；光子的反物质就是其自身。

暗物质：为了解释宇宙学观测中现象与理论不符，提出的一种分布在宇宙中的不可见物质，目前为止暗物质只是一种假设，也没有任何的实验观测表明暗物质存在。

1、背景介绍

1926 年，薛定谔提出了著名的薛定谔方程，这是量子力学的开端。薛定谔方程的形式为：

其中 为哈密顿算符，其实就是牛顿力学下动能的形式。

虽然薛定谔方程很成功，能解释定态原子轨道以及氢原子光谱等，但是薛定谔方程是一个非相对论的方程，只能描述低能低速粒子的运动。

英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）通过对比牛顿力学与相对论力学的关系，自然地想把量子力学推广到相对论性量子力学。

我们知道，在狭义相对论中，能量的表达式为：

注意，这里采用了自然单位制，光速设为 1。狄拉克推广的想法简单地说就是把这个能量变为相对论中的能量：

很明显，这个方程的解就可能对应着两个能量，即 +E 和 -E ，正能量很好理解，就是普通的能量解释，那么负能量的解又是什么呢？

狄拉克把负能量解释成反物质，对此提出了「狄拉克海」。

以电子为例，他认为宇宙中充满了电子，和海洋一样，但是某些电子可能由于某些原因被激发出海平面，这样这个电子原来的位置就留下一个空穴。这个空穴相对于充满电子的空间来说，就是一个质量与电子相同，但是带正电的粒子。

当然我们现在知道，狄拉克海的解释并不正确，只有当考虑的粒子是电子这样的费米子时，上面的图像才成立，而对于其它玻色子则不成立。

通过解 Dirac 方程发现，每一种粒子（自旋 1/2 的粒子）都必定存在其对应的反粒子，反粒子和粒子的质量完全相同，但是电荷等属性完全相反。随着理论和实验的发展发现，不管自旋为多少，每一种粒子都有其对应的反粒子（特殊情况下，反粒子可以为其本身，如光子）。

1932 年，美国物理学家安德森发现了正电子。

安德森从 1930 年开始跟密立根做宇宙射线的研究工作，负责用云室观测宇宙射线。安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线。

他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场，并快速拍下粒子径迹的照片，然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。

1932 年 8 月 2 日，安德森在照片中发现一条奇特的径迹，这条径迹和负电子有同样的偏转度，却又具相反的方向，显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。于是他果断地得出结论，这是带正电的电子。狄拉克预言的正电子就这样被安德森发现了。

虽然安德森是第一个发现正电子的人，但是实际上，在此之前，就有一名中国物理学家发现了正电子的迹象，他就是赵忠尧先生。

赵忠尧（1902-1998），著名物理学家、我国核物理研究的开拓者，1902 年 6 月 27 日出生于浙江省诸暨县，1925 年从东南大学毕业后任清华大学助教。1927 年去美国加州理工学院，从师于诺贝尔奖金获得者密立根教授，1930 年获得博士学位，1929 年他和英、德的几位物理学家同时独立地发现了硬γ射线的反常吸收（实际上是γ射线在物质中产生电子对的效应）。在进一步的实验中他首先观察到硬γ射线在铅中引起的一种特殊辐射（正负电子对的湮灭辐射）。这些结果是正电子发现的前导，得到国际物理学界的高度评价。

2、正反物质湮灭

正反物质相遇会发生湮灭反应（当然也有一定的概率发生散射而不是湮灭），在这个过程中会发释放出高能光子。以正负电子为例，正负电子湮灭成一对光子的（最主要的）过程可以用如下费曼图表示：

电子的质量大约为 ，正负电子湮灭放出的光子的波长很容易算出来。反应前后能量守恒：

其中 是电子的静质量， 是入射光子的频率，可以算出：

再通过 算出光子波长:

而光的分类为：

可以看到，这样的光子至少也是伽马射线。上面的计算还没有考虑电子有动能。

另外，宇宙中的物质主要是重子，重子是强子的一类，而最轻的强子是 介子的质量大约为 ，是电子质量的 260 倍左右。所以强子正反物质湮灭只会释放出更高的能量。

3、宇宙中的反物质

单纯的从狄拉克方程来看，物质和反物质的地位是完全等价的，不存在谁比谁更优先，两者是互为反物质，也就是说，物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的。如果我们假设宇宙大爆炸时正反物质数量是相等的，那么现在的正反物质数量也应该是相等。

宇宙中的物质和反物质的不对称主要体现为正反重子的不对称，这是因为当今宇宙中的普通物质的能量（质量）主要集中在重子部分。

但是天文观测数据却显示，在可观测的宇宙范围内，二者严重失衡，只发现了正物质，没有反物质。假设宇宙中有反物质存在的区域，那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭，产生很强的伽马射线，但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线。

在高能宇宙线中观测到的反物质，比如反质子是宇宙线传播过程中发生碰撞而产生的次级粒子, 并不是来自于宇宙深处的原初反物质其它的观测也给出了相同的结果。

在宇宙学中，人们定义了重子光子比 ，其中 和 分别表示重子和反重子的数密度, 为光子的数密度, 大约为每立方厘米 413 个光子。

经典大爆炸宇宙学告诉我们，宇宙早期的物质处于高温的等离子体状态, 当宇宙温度足够高时, 正反重子不停地成对产生并很快湮灭。

但是当温度降到 以下时，这些正反重子很快湮灭成光子，而不再有正反重子对的产生。如果宇宙是正反重子对称的，最后的结果将是 。

但这与观测结果是直接矛盾的。

宇宙早期大爆炸核合成，以及微波背景辐射都对重子光子比有精确的测量。两者的测量结果都给出 。

注意，这两个物理过程分别发生在温度相差一百万倍的不同时期，却给出了几乎相同的结果，这说明了标准大爆炸宇宙学模型的自洽性和成功之处，并一致性地告诉我们至少从大爆炸核合成时期开始, 宇宙呈现出了明显的正反物质的不对称。

理论上讲，这种正反物质不对称可能是宇宙创生的时候就有的。

然而，近代宇宙学研究表明，宇宙在早期经历了一个暴胀阶段，暴胀解决了经典宇宙学中的平坦性、均匀性等问题，但同时剧烈的膨胀也使得原始的重子数和反重子数密度趋近于零。

也就是说，经历了暴胀之后，宇宙应该处于 的对称状态。

所有的物质和反物质都是在暴胀后的再加热（reheating）过程中产生, 所以正反物质的不对称也必须是暴胀后宇宙中的动力学演化的结果.

4、理论解释

那么从现有的理论上该怎么解释这个现象呢？