反物質真的存在嗎？如何證明？

01-05

雖然問題很蠢，我還是想提醒一個對很多人顯而易見但對某些人卻始終繞不過彎的問題：
當我們說一個物理實體是否存在時，實際上是說某個描述該實體的理論所預言的該實體的性質，是否符合我們實驗上觀測到的某個信號。如果一個實驗信號完全擁有理論預言的性質，我們就說實驗上我們找到了這個物理實體。

尤其對於現代物理，不管是凝聚態還是粒子物理，很多所謂的物理實體早已不是什麼「看得見摸得著」的東西了，而是擁有比較抽象的性質的微觀現象，它與人類進化出來的「感官」早已不適配，因此人類百萬年來發展出的「直覺」也毫無用處，我們只能談實驗信號。
比如2012年發現的Higgs boson，最早達到5個sigma時我們說「發現」了一個新的Higgs-like particle。為什麼會有Higgs-like這種說法？按照某些人的簡單思路，存在就是存在，不存在就是不存在，找到了就是找到了，沒找到就是沒找到，「找到一個長得像的」根本就不是一個科學論斷。然而這種說法恰恰是最科學的，因為就像上面說的，物理實體是一種實驗信號的「構建」，而「構建」需要一個過程，因為理論會預言實體各種不同的性質，這些性質很可能不會是同時發現的。我們先發現「存在一個新粒子」，這在實驗信號里是「超過5個sigma的共振峰」這樣的性質；接著我們在累積數據的過程中，逐漸確認這個新粒子的自旋、宇稱、與其它粒子的耦合強度等等，這些都在理論中有所預言，當這些性質逐漸被驗證時，我們把粒子的名字從"Higgs-like"慢慢換成"Higgs"；而實驗測得的數據也很難完全符合理論預言，根據不符合的程度不同，如果有嚴重的不符，我們也許會不再叫它"Higgs"，而如果只是輕微的不符，我們仍然叫它"Higgs"，但是宣稱理論需要修改。
理解上面這個過程，是一個很好的科學思維訓練題，它教你現代物理乃至整個科學中一些所謂的「實體」的概念的本質，以及科學理論發揮作用的方式。

這玩意都直接實驗室製備成功了……還咋證明……

製備最簡單的應該就是正電子了吧？
甚至不需要高能對撞機……
$^{22}Na$ 可以發生β+衰變，生成正電子……（正負電子對撞機愛用這個當正電子源）
其他的，比如一對高能光子相撞，高能光子和原子相撞，核聚變等等，都可以產生正電子（多為正負電子對）的……
之後你是用雲室也好，氣泡室也好，一測就知道了……

反物質的確實是存在的，從提出到發現再到目前的理論也是一段非常有意思的歷史。不過在說明反物質之前，要首先區分反物質和暗物質這兩個概念：

反物質：任何物質都有反物質，反物質的電荷等性質與正物質相反，質量相同，比如電子與正電子，除了電荷符號相反外其它性質均相同；光子的反物質就是其自身；

暗物質：為了解釋宇宙學觀測中現象與理論不符而提出的一種分布在宇宙中的不可見物質，目前為止暗物質只是一種假設，也沒有任何的實驗觀測表明暗物質存在。

1、提出反物質

（在現代理論中）反物質最先由狄拉克（Dirac，為什麼我會想到迪達拉呢o((⊙﹏⊙))o）提出的。在20世紀初提出發展的量子力學解決了很多低能下的非相對論性的系統問題，但是卻不適用於高能的相對論性粒子或系統。比如說，在很多情況下，粒子數是不守恆的，但是在量子力學的基本假設中就暗含著粒子數守恆，因此量子力學就無法描述粒子產生和消失的情況。
狄拉克通過對比牛頓力學與相對論力學的關係，自然的想把量子力學推廣到相對論性量子力學。在量子力學中，最重要的是薛定諤方程：
$hat{H}psi=Epsi$ ，
其中 $hat{H}=frac{hat{p}^2}{2m}$ 為哈密頓算符，其實就是牛頓力學下的動能的形式，而狄拉克推廣的想法簡單地說就是把這個能量變為相對論中的能量：

$(hat{p}^2+m^2)psi=E^2psi$ ,
其中把光速設為1了。這個方程的解就可能對應著兩個能量，即 $+E$ 和 $-E$ ，狄拉克把負能量解釋成反物質。狄拉克對此提出了「狄拉克海」，以電子為例，他認為宇宙中充滿了電子，和海洋一樣，但是某些電子可能由於某些原因被激發出海平面，這樣這個電子原來的位置就留下一個空穴。這個空穴相對於充滿電子的空穴來說，就是帶正點的正電子。當然現在我們知道這種解釋並不是正確的。反物質的存在實際上是非常自然的，是時空對稱性的要求。關於物質與反物質的關係在量子場論中有完整詳細的描述。

2、發現反物質

1932年，安德森發現了正電子。安德森從1930年開始跟密立根做宇宙射線的研究工作。從1930年起安德森負責用雲室觀測宇宙射線。安德森採用一個帶有非常強磁鐵的威爾遜雲室來研究宇宙射線。他讓宇宙射線中的粒子通過室內的強磁場，

並快速拍下粒子徑跡的照片，然後根據徑跡長度、方向和曲率半徑等數據來推斷粒子的性質。1932年8月2日，安德森在照片中發現一條奇特的徑跡，這條徑跡和負電子有同樣的偏轉度，卻又具相反的方向（上圖），顯示這是某種帶正電的粒子。從曲率判斷，又不可能是質子。於是他果斷地得出結論，這是帶正電的電子。狄拉克預言的正電子就這樣被安德森發現了。
（本段來源於發現正電子----中國科學院）

3、反物質在哪

一說到反物質，就會想到反物質和正物質會湮滅，會覺得其與生活中的物質距離非常遠。但是實際上，從某種意義上說，反物質無處不在。根據物理學中的相關知識可以知道，我們的宏觀世界幾乎都是由原子或分子構成的，原子質量幾乎都集中在原子核中，原子核由質子和中子構成，而原子核中的質子中子之間是有非常強的相互作用的，而傳遞這種相互作用的粒子中就含有反物質（反夸克）。所以，從這種意義上說，反物質存在於所有的宏觀物質中。
pi0中就有反u夸克和反d夸克
反物質在我們所生活的環境中不能產生，但是在實驗室中卻很容易產生，也就是在對撞機中，比如CERN的LHC，北京的北京正負電子對撞機BEPC等，在一次對撞中，會產生成千上萬的反物質粒子產生，也就是說反物質每天都在實驗室中產生。

4、反物質去哪了

但是，根據目前的粒子物理標準模型和粒子場論，正物質與反物質是完全對稱的，而如果大爆炸的時候正反物質是一樣多的話（目前大家普遍相信這一點），理論上說現在的宇宙中正反物質也是一樣多的，但是實際的觀測卻沒有看到宇宙中有反物質，這就非常迷了。目前有很多理論來試圖解釋這件事情，但是沒有一個能非常完美的解釋。
革命尚未成功，同志仍需努力。

我的上一個回答

中科院院士趙忠堯於1929年在美國加州理工大學進行硬γ射線研究時，發現了「反常吸收」現象。儘管他並未直接觀測到反粒子，但是這個反常吸收現象卻正是來自正反粒子的相互作用。我們可以認為趙忠堯是第一個發現反粒子的科學家。
趙忠堯隔壁辦公室安德森了解到了趙忠堯的研究成果，於是繼續沿著趙忠堯的研究進一步證實了反粒子（正電子）的存在，並最終獲得1932年的諾貝爾物理學獎。
本來趙忠堯也有資格獲獎，但是，有一位在德國工作的物理學家在文獻上報告了她的結果和趙老師的觀察不同，提出了疑問（是她自己搞錯了）。謹慎的諾獎委員會最終沒能把諾獎頒發給趙院士。
儘管趙院士終其一生無緣諾貝爾獎，但是這絲毫不會影響他在世界物理學史和中國物理學界的地位。民間流傳著趙院士懷抱50克鐳千里走單騎南下的英雄事迹，實際上任何人都受不了50克鐳的輻射，恐怕是50毫克的謬傳。但是，趙院士作為我國核物理、宇宙射線等學科的開拓者和奠基者之一，國內不少這方面的研究者都是他的徒子徒孫，他嚴謹的治學態度與堅定的科研信念將永遠留在一代代物理學子的心中。
1998年5月28日，趙忠堯院士逝世，享年95歲。

如何證明？做實驗證明就是了。
你要是信不過實驗結果，一定要眼見為實的話，那真沒什麼可以證明存在的了，分子、原子、中子、電子都無法直接人肉觀測。

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