科技愛好者427
圖注：此處顯示的反質子減速器從粒子加速器中吸收高能質子，並使它們與金屬靶碰撞，從而導致新質子和反質子的自發產生。減速器會減慢這些反質子的速度，將其用於創建和測量反原子的特性。 不僅在地球上，而且在我們所看的宇宙中的任何地方，我們發現大大小小宇宙結構都是由物質構成。物質，也就是說，與反物質相反。我們發現的每個星系、恆星、行星、氣體和塵埃的集合都是由物質構成的，展現出了我們在地球這個物質行星上所熟悉的確切的物理和化學特性。但是，如果要是傳統的東西都由反物質組成，反物質它具有黏性嗎？答案是肯定的。反物質是黏性的：與通常情況一樣黏性。
- 圖注：麵包麵糰，根據麵糰的確切成分和水含量，可能會發黏。如果上圖所揉麵團，是由反物質而不是正常物質製成，則“黏性”值將與常規物質黏性值相同。
當我們談論物質的常規特性（例如它們的黏性、彈性或彎曲度）時，它們是整體的，大規模的宏觀特徵。在科學中，我們稱之為這些物理特性：可以在不改變物質性質的情況下對其進行測量。當我們觸摸黏性麵包麵糰、彈性橡皮筋或彎曲的樹枝時，我們能發現它們保持黏性、彈性或彎曲性。
但是，如果我們問“是什麼原因導致了這些物理特性”，那麼我們必須一直深入到微觀世界，以瞭解真正發生的事情。在微觀尺度上，遠低於人眼所能看到的極限，一切都是由原子構成的。這些原子結合在一起成為分子，然後通過原子間力將它們結合在一起，構成我們在傳統經驗中相互作用的大型物體。
- 圖注：此插圖來自顯示水分子動態相互作用的動畫。單個的H2O分子為V形，水之所以具有其性質，是因為其分子結構和這些水分子中電子的行為。水的反物質對應物預期行為相同。
當某些東西摸起來很黏時，是因為我們所觸摸的材料中的電子與指尖中的電子以特定的方式相互作用，從而產生了我們與黏性相關的特性。我們與這種"黏性"感覺相關的一切都基於這些原子中的電子如何結合在一起：共價、電離、混合物、懸浮物和溶液，以及通過它們與其他材料之間的氫鍵。
我們可以自由地將任何其他喜歡的物理特性，以及喜歡的任何其他交互替換為“黏性”和指尖：諸如顏色的特性以及發射/反射的光子如何與眼睛交互。在每種情況下，分子及其相互作用都是我們所經歷的，但是單個原子和這些原子中電子所產生的原子躍遷決定了分子的性質和相互作用。
- 圖注：鑥-177原子的能級差異。請注意，只有特定的離散能級可以接受。雖然能級離散，但電子的位置不離散。
這使我們進入了一個有趣的十字路口。我們沒有大量穩定的反物質可以使用和控制。 如果這樣做的話，我們可以從中構建出反分子和宏觀物體，並測試其如何與其他形式的反物質相互作用。但這仍然是有興趣研究反物質的物理學家和材料科學家的夢想。 實際上，很長一段時間以來，我們所得到的只是理論計算來指導我們。
反物質的概念已有90年的歷史了，最初是出於純粹的理論考慮。最早描述量子力學中單個粒子的方程式——薛定諤方程——與愛因斯坦的狹義相對論不相容：它不適用於接近光速運動的粒子。早期使薛定諤方程相對論的嘗試對某些結果給出了負概率，這是無稽之談：所有概率都必須在0到1之間；負概率沒有物理意義。
- 圖注：所謂的“狄拉克之海”源於求解基於複雜向量空間的狄拉克方程，產生了正負能量解。負解很快被反物質識別，特別是正電子（反電子）為粒子物理學開闢了一個全新的世界。
但是，當第一個相對論方程準確地描述了電子的可觀察特性時，它就具有這種怪異的特性：電子只是該方程的一個可能解。還有另一種對應於“相反”狀態的解決方案，其中電子周圍的所有東西都被翻轉了。自旋被翻轉，電荷被翻轉，其他量子數也被翻轉。
最初，人們拒絕了對此的正確解釋，但事實證明它是正確的：在宇宙中應該有一個“反電子”，它將把它遇到的任何電子湮滅為純能量（光子）。 這種反粒子，現在稱為正電子，原來是我們發現的第一個反物質實例。90多年後，我們現在知道每個物質粒子都有一個反物質對應物：一個反粒子。
- 圖注：現在，已經直接檢測了標準模型的粒子和反粒子，最後一個希格斯玻色子也在本世紀初的大型強子對撞機中找到。所有這些粒子都可以在LHC能量下產生，粒子的質量對於完整描述它們是絕對必要的。這些粒子和反粒子可以通過標準模型基礎的量子場理論的物理學很好地描述。
問題是，產生反物質的唯一方法是，通過愛因斯坦著名的質量能量等價關係：E = mc^2，將物質與如此多的能量粉碎在一起，從而自發地產生新的粒子-反粒子對。長期以來，這帶來了一個問題，即所有反物質粒子總是接近光速移動，所有它們需用如此多的能量才能產生。
它們要麼衰減或與它們相遇物質粒子湮滅，這對於粒子物理學家來說產生了很好的結果，但對於任何想知道反物質是否具有與物質相同的特性的人來說，結果非常糟糕。雖然電荷和自旋（以及其他一些量子特性）應該逆轉，但在組裝反原子、反分子甚至反人類方面，物理學應該導致相同的結果。
- 圖注：歐洲核子研究中心的反物質工廠的一部分，其中帶電的反物質粒子被彙集在一起，可以形成正離子、中性原子或負離子，這取決於與反質子結合的正電子的數量。如果我們能夠成功捕獲並存儲反物質，它將代表100％高效的燃料來源。我們還開始測量反物質的電磁特性，這些特性與已經測量的普通物質的特性相同。
但是最近，我們獲得了通過實驗測試反粒子如何結合在一起的能力。在歐洲核子研究中心（CERN），歐洲核子研究組織是大型強子對撞機的所在地，整個大型綜合體致力於反物質的創造和研究。它被稱為反物質工廠，其專業不僅涉及生產低能反質子和低能正電子，而且還將它們結合在一起形成反原子。
對於那些有興趣確定反物質是否像常規物質一樣黏稠的人來說，這就是真正有趣的地方。如果反物質按照與正常物質相同的相似規則起作用，那麼反原子應表現出與正常原子相同的某些性質。它們應具有相同的能級，相同的（反）原子躍遷，相同的吸收和發射線，並應結合在一起形成反分子，就像原子形成正常分子一樣。
- 圖注：在一個簡單的氫原子中，單個電子繞單個質子運行。在反氫原子中，單個正電子（反電子）繞著單個反質子運行。正電子和反質子分別是電子和質子的反物質對應物。
2016年，歐洲核子研究組織反物質工廠的ALPHA實驗的科學家首次測量了反氫的原子光譜，完全期望它會以與普通氫完全相同的頻率吸收和發射光子。第二年，他們能夠測量反原子能級的超精細結構，並再次獲得了與正常物質的能級極好的匹配的結果：在0.04％以內。
現在已經執行了額外的測量，並達到了令人難以置信的精度，而且每次得到的結果都是相同的：反原子中的正電子具有與正常原子內的電子相同的量子特性，包括相同的躍遷和相同的能級。還產生了更重的反核，並且在每一個轉彎處，我們都得到相同的結果：反原子具有與正常原子對應物相同的電磁特性。
- 圖注：2020年2月，關於反氫原子中發生量子轉換的驚人細節被披露出來。在每個可測量點，光譜與正常物質的類似觀測值相同。
反物質的首次精確測試已經進行了幾年，因為21世紀10年代對他們來說是一個革命性的十年。無論何時何地，無論我們能看到什麼，它都是正常反物質的基礎：
反質子
反中子
由反質子和反中子結合在一起形成的較重核，
和正電子，
結合在一起，並展現出與正常物質在每種可測量方式上都相同的量子躍遷。
我們可能想知道，在物理定律下，我們是否允許它們與眾不同，還有一點回旋餘地：放射性衰變。弱核相互作用是唯一違反物質與反物質對稱性的相互作用，並且某些過程對於物質與反物質而言可能略有不同。例如，兩個質子在陽光下融合在一起時，有10^28分之一的機會產生氘核。對於反質子和反氘核，該值可能不同。
- 圖注：當兩個質子在太陽中相遇時，它們的波函數重疊，允許氦-2的暫時產生：二質子。它幾乎總是分裂成兩個質子，但是在極少數情況下，由於量子隧穿和弱相互作用，會產生穩定的氘核（氫-2）。對於本系統的反物質對應物，這些分支比率，以及因此的脫產率可能並不相同。
如果我們是由反物質而不是正常物質構成的，那麼我們與地球上的所有其他事物一樣，我們所知道的一切的物理和化學特性將保持不變。不管椅背上的那個神秘，黏稠的物質是什麼，反物質都將同樣具有黏性，彈性、可彎曲性和顏色或我們可以測量的任何其他常規屬性也是如此。
就實驗和觀察而言，反物質與其他形式的反物質相互作用的方式，與正常物質與其他形式的正常物質相互作用的方式完全相同。如果正常物質的某些構型是黏性的，則其反物質對應物將同樣具有黏性。僅當我們要嘗試觸摸它進行驗證時，請確保我們也由反物質構成。否則，結果將比粘性更具爆炸性。
