【深造物理】反物質是甚麼？

如果說物理世界有一面鏡子，鏡中所有粒子的電荷、某些量子「身份證」都反過來，那面鏡子裡的居民，就是反物質(antimatter)。這不是科幻小說的設定，而是現代量子場論(quantum field theory)與粒子物理實驗都再三驗證的真實存在。反物質既出現在醫院的正電子放射斷層掃描(PET)裡，也在宇宙線與銀河中心的伽馬射線留下蹤跡；科學家更在大型實驗室中製作、冷卻並囚禁反原子，逐步測試它遵循的自然定律。本文會用準確的科學描述，帶你走進這個「鏡中世界」。

反物質的核心概念：甚麼叫「反」？

每一種基本粒子，都有一個對應的反粒子(antiparticle)。所謂「反」，不是負質量，也不是負能量，而是將一切可加法的量子數(quantum numbers)反號，例如電荷(charge)、重子數(baryon number)、輕子數(lepton number)、味量子數(如奇異度、粲度等)。但質量(mass)、自旋(spin)等大小則與本體相同。最經典的例子是電子(e−)的反粒子——正電子(e+)：它的電荷為正、質量與電子相同，遇上電子便會湮滅(annihilation)，轉化為能量(常見為兩束伽馬光子)。

有些中性粒子也有反粒子，例如中子(neutron)的反粒子是反中子(antineutron)；不過也存在「自己就是自己的反粒子」(self-conjugate)的情況，如光子(photon)、π⁰介子、Z 玻色子等。至於中微子(neutrino)是否為自身反粒子(馬約拉納粒子，Majorana particle)仍在實驗檢驗中。

粒子	反粒子	電荷	質量	備註
電子 e−	正電子 e+	±1e (相反)	相同	醫療 PET 會用到 e+
質子 p	反質子 p̄	±1e (相反)	相同	CERN 可製作並囚禁 p̄
中子 n	反中子 n̄	0 / 0	相同	磁矩方向相反
光子 γ	自身	0	0	自身即反粒子

理論基礎：從狄拉克方程到 CPT 對稱

反物質的理論根基出自狄拉克(Dirac)在 1928 年寫下的狄拉克方程(Dirac equation)，在相對論與量子力學結合的框架下，它自然預言了帶正電、與電子質量相同的粒子——正電子。1932 年，安德森(Anderson)在宇宙線觀測中發現正電子，理論與實驗「對上號」。

在現代的量子場論(Quantum Field Theory, QFT)視角，粒子是場的量子化激發；反粒子不是「負能量」物件，而是同一套場中、量子數反號的解。更深一層的保證來自 CPT 對稱(CPT symmetry)：在所有已知的局域且洛侖茲不變的量子場理論裡，若同時做電荷共軛(C)、空間反演(P)、時間反演(T)，物理定律保持不變。這意味著粒子與反粒子必須有完全相同的質量與壽命等基本性質；任何偏差都將動搖整個理論大廈，因而成為最嚴苛的精密測試對象。

反物質如何誕生與消失：對生成與湮滅

能量與物質可以互相轉換。當一個高能光子(γ)接近原子核，在核的慣性幫助下，可能「對生成」(pair production)，生出一對電子與正電子，只要能量高於 1.022 MeV (兩個電子的靜質量能量)。反過來，當 e+ 與 e− 相遇，會湮滅(annihilation)成兩束約 511 keV 的伽馬光子，嚴格遵守能量、動量與電荷守恆；重子(如質子)與反重子(如反質子)湮滅時，常先生成多個介子，再衰變成光子與其他粒子。

能量換物質：γ → e+ + e− (需近核場輔助)
物質換能量：e+ + e− → γ + γ (典型為兩光子，每個 511 keV)
重子對湮滅更「熱鬧」，通常產生多個介子再鏈式衰變

這裡的 E = mc² 也可量化反物質的「能量密度」想像：若 1 克反物質與 1 克物質完全湮滅，釋放的能量約為 1.8 × 10¹⁴ 焦耳，相當於約 43 千噸 TNT 的當量。然而，在現實中，要讓兩者完全轉換且有效收能並不容易。

自然界的反物質：從香蕉到銀河中心

別以為反物質只在實驗室。自然界處處可見其影子：

宇宙線(cosmic rays)：高能粒子撞擊地球高層大氣，會產生粒子瀑布，其中包含正電子與反質子。國際太空站上的 AMS-02(Alpha Magnetic Spectrometer)持續測量正電子比例，為高能天體物理與可能的暗物質訊號提供線索。
香蕉與人體：含有天然放射性同位素鉀-40 的食物會進行 β⁺ 衰變，放出正電子；我們自身體內也存在極微量的此類衰變。雖然數量小得幾乎不可覺，但科學上實實在在。
雷暴：強烈雷暴可加速電子到高能，產生高能伽馬與少量正電子，衛星和地面陣列都觀測過相關信號。
銀河中心的 511 keV 線：衛星觀測到來自銀河中央區域的 511 keV 伽馬線，這正是 e+e− 湮滅的指標。其來源可能包括放射性衰變、脈衝星(pulsars)、X 射線雙星等多種天體物理機制，仍在研究中。

如果宇宙有大塊「反星系」或「反星雲」混雜在普通物質之間，我們應該在相交邊界看到強烈、遍佈的湮滅輻射。但觀測並不支持這種大尺度的混居，這也是「為何宇宙幾乎全是物質」這個大哉問的其中一個線索。

實驗室的鏡中世界：製造、囚禁與測量反物質

在歐洲核子研究中心 CERN，有一條專門生產與「降速」反質子的設施，稱為反質子減速器(Antiproton Decelerator, AD)，以及更新的 ELENA 環幫助將反質子能量再降低。它們的工作流程大致如下：

用高能質子轟擊金屬標靶，產生反質子。
用電磁場逐步「緩速」，讓反質子速度降下來，便於捕捉。
用潘寧阱(Penning trap，以強磁場+電場穩定帶電粒子)或保羅阱(Paul trap，交變電場)來囚禁反質子/正電子。
讓反質子與正電子在超高真空、超低溫下結合，形成反氫原子(antihydrogen)。
用磁阱(Ioffe-Pritchard 等結構)囚禁中性但有磁矩的反氫，再進行光譜、重力等測量。

多個合作實驗如 ALPHA、ATRAP、BASE、AEgIS、GBAR 等各有專長：

ALPHA 與 ATRAP 聚焦於反氫的生成、冷卻與高精度光譜測量，例如 1S–2S 譜線與超精細結構，逐步逼近與氫原子的一致性檢驗，亦已進行反氫在地球重力場中的自由落體測試。
BASE 用極高精度的潘寧阱比較反質子與質子的性質，如電荷質量比(charge-to-mass ratio)、磁矩(magnetic moment)等，對 CPT 對稱做極限測試。
AEgIS、GBAR 等著眼於量測中性反原子在地球重力場的行為，驗證等效原理(Equivalence Principle)是否對反物質同樣成立。

截至近年，反氫的光譜性質與氫在實驗精度內一致，而重力實驗的早期結果亦支持「反物質向下掉」的結論，與廣義相對論的等效原理相容。未來會用更冷的反氫、更長的囚禁時間，將精度再推高。

反物質與重力：會不會「向上掉」？

很多人好奇：反物質會否被地球「排斥」，向上掉？現代理論與現有實驗都傾向否定這一點。一般而言，反物質有正的慣性質量與引力質量，與普通物質一樣被地球吸引。CERN 的反氫落體實驗提供了直接證據：在目前精度下，反氫的自由落體加速度與普通氫一致，沒有看見顯著偏離。這不但安定了我們對等效原理的理解，也為更深入測試留出清晰路線——例如用雷射冷卻(laser cooling)把反氫溫度降到更低，讓其下落更「乾淨」，減少熱運動帶來的擾動。

為何宇宙幾乎沒有反物質？三條薩哈羅夫(Sakharov)路線

大爆炸初期，熱湯般的宇宙應該同時產生物質與反物質。那為何今天我們看到的宇宙幾乎全是物質？這需要在早期宇宙出現某些機制，讓物質略勝反物質一籌。薩哈羅夫在 1967 年提出三個必要條件：

違反重子數(Baryon number violation)：能把「反」轉成「正」或創造淨重子數的過程。
違反 C 與 CP 對稱(CP violation)：讓物質與反物質的反應機率不完全對等。
偏離熱平衡(Departure from thermal equilibrium)：否則正反差異會被洗平。

標準模型(Standard Model)確實包含 CP 破壞(在夸克混合的 CKM 矩陣中)，但估計不足以解釋今天的物質-反物質非對稱。可能的解答包括更強的電弱相變(在某些新物理模型裡)或「輕子生產」(leptogenesis)：先在輕子部門製造非對稱，再透過高溫下的電弱過程轉成重子非對稱。實驗上，像 LHCb、Belle II 正精密測量 B、D 介子中的 CP 破壞；中微子長基線實驗(如 T2K、NOvA，及未來的 DUNE、Hyper-K)則尋找輕子部門的 CP 位相。宇宙學方面，宇宙微波背景(CMB)與大尺度結構也為早期非對稱提供邊界條件。這條線索仍在發展中，是當代物理的熱門前沿。

醫療與技術應用：反物質其實離你不遠

反物質不是只存在於高能實驗。以下是你可能已接觸過或受惠於的應用：

PET 掃描(Positron Emission Tomography)：注入帶正電子發射的放射性示蹤劑，正電子在體內不久便與電子湮滅，放出兩束相背的 511 keV 光子。探測器同時計算這兩束光的飛行路徑，重建體內代謝活動的分佈，對腫瘤診斷與腦功能研究極重要。
正電子湮滅譜(positron annihilation spectroscopy)：用於材料科學，探測固體中的缺陷與空洞，因正電子在缺陷附近的壽命與能譜會發生特徵改變。

至於大家常談的「反物質能源」或「反物質火箭」：在理論能量密度上很誘人，但現實仍極其遙遠。生產反物質的成本與效率非常低，且儲存困難——任何與普通物質接觸都會湮滅，必須在超高真空與電磁阱中隔離。即使在大型加速器，年產量也非常微小，遠不足以支撐工程化用途。至少在可見的未來，反物質更像是「探針」：用來測試基本物理定律，而非能源解決方案。

常見誤解與快速釐清

反物質等於「負能量」嗎？不是。反物質有正的質量與能量，只是量子數(如電荷)反號。
反物質會被地球排斥嗎？目前理論與實驗都支持反物質受引力吸引，與普通物質一樣「向下掉」。
反物質就是暗物質(dark matter)嗎？不是。暗物質不與電磁作用(不發光、不吸光)，也不會像反物質那樣遇物質就湮滅出 511 keV 的強信號。兩者完全不同。
宇宙是否存在「反星系」？觀測並不支持在我們可見宇宙中存在大量與普通星系混居的「反星系」，否則交界處會有明顯湮滅輻射。

未來展望：更冷的反氫、更準的宇宙觀

展望未來，幾個方向尤其令人期待：

反氫重力與光譜測量的更高精度：透過更有效的雷射冷卻與磁阱設計，縮小不確定度，檢驗等效原理與 CPT 對稱到更嚴苛的等級。
宇宙線中的反核搜尋：例如反氦(antihelium)候選事件一直備受關注，若被確認，可能暗示高能天體或新物理的非凡來源；目前仍需更穩健的證認。
CP 破壞的新來源：高亮度 B 工廠、LHCb 升級、乃至中微子長基線實驗，或能找到不足以用標準模型解釋的差異，為物質-反物質非對稱提供新線索。

結語

反物質不是遙不可及的傳說。它從理論走進實驗，從宇宙走進醫院；既是檢驗自然定律的一面照妖鏡，也是認識宇宙身世的關鍵拼圖。我們已能在實驗室生成、囚禁並測試反原子，看到它在重力場裡的表現與普通物質無異，也在天際觀測到正電子湮滅的光。下一步，是把這面鏡子擦得更亮：用更精準的實驗去追問，為何宇宙偏愛物質；用更敏銳的望遠鏡去搜尋，反物質在天體環境中留下的每一絲訊號。當我們把這些答案拼好，或許就離理解宇宙「為何成為現在這個樣子」更進一步。