什么是反物质?就像质子、中子、电子结合起来形成原子一样，反质子、反中子和反电子结合起来形成反原子。由反原子构成的物质就是反物质。当你照镜子时，镜中的那个你如果真的存在，并出现在你面前，有人就把它叫做“反你”。
科学家想象，在很远很远的地方，有一个和我们的世界很相像的世界，但它是一个由反星系、反恒星、反太阳、反房子和反食物等一切反物质构成的世界，他们称它为反物质世界。
反物质和普通物质其实并无二致，所不同的是，组成反物质的粒子与组成我们所熟知的普通物质的粒子在电荷等方面相反(注意，普通物质与反物质不仅仅电荷不同)。例如质子质量为1个单位，电荷为+1个单位，反质子质量为1个单位，电荷为-1个单位；又比如电子质量与反电子质量相同，但电子电荷为-1个单位，而反电子电荷则为+1个单位，所以有人把反电子叫做“正电子”。
当然，也有一些例外，美国物理学家布鲁斯·克拉克发现的反中子就是一例，它的质量与中子相同，也像中子一样不带电荷，但它在更小的单位——夸克方面则与中子明显不同。其他中性粒子如光子等的反粒子就是它本身。此外，在粒子物理学中还有一些粒子没有上述意义的反粒子，中微子就是一例，反中微子自有另外一种定义。
科学家推测，反质子和反中子结合在一起能成为带负电的反原子核，反原子核和反电子结合在一起能组成反原子。物质世界有多少种原子，反物质世界中就有多少种反原子，它们在结构上不应有什么区别。由此延伸下去。我们的宇宙有它对应的反宇宙，在反宇宙里有反星系、反恒星、反地球、反房子、反食物，一直“反”下去，直到反基本粒子。
那么，反物质真的存在吗?答案应该是肯定的。
反物质世界
宇宙学家指出，反物质是在137亿年以前宇宙大爆炸时与普通物质一起产生的。大爆炸最初的1秒钟是宇宙的婴儿时期，在这一时期宇宙出现了一次暴涨，电子、质子和中子等基本粒子在这一时期形成，反电子、反质子、反中子等反粒子也是在这一时期形成的。
物质世界琳琅满目，反物质世界又是怎样的呢?在反物质世界里，一切都与现实世界相反。你若想提起反物质物体，不是把物体向上提，而要往下按；要是向“反墙”上钉反物质钉子，不能用锤子对准墙壁用力敲打，而要用力拔它。试想在这样一个世界里，我们的一颦一笑将是何等模样!
真有这样一个奇妙的反物质世界吗?从哲学的角度讲，这个问题很容易回答，有左必有右，有上必有下，有阳必有阴，有正必有反。许多科学家表示，谁要是能发现宇宙反物质的存在，那么他将当之无愧地获得诺贝尔奖。这项研究拟在太空进行，探测器发射后将永驻太空。
为了解反物质世界，美国科学家曾在1979年把一个60层楼高的巨大气球放到离地面35千米的高空，气球上载有一批十分灵敏的探测仪器。这个巨型气球在空中截获了28个反质子。这是在地球以外第一次发现反物质。除此之外，还在星际空间发现了反物质流。
最近还有报道说，天文学家在一颗编号为SN2005E的异常奇特的超新星上发现了一个“反物质工厂”，它正在不间断地向周围释放正电子。SN2005E距离地球1亿光年，是一颗白矮星爆炸而成的超新星。这类天体的发现有助于揭示宇宙中反物质的来源和分布，从而更好地认识宇宙的演化过程。
不过，尽管在一些孤立的时间和孤立的区域观测到了一些反物质，但迄今为止还没有飞行仪器发现过宇宙中存在大量反物质的证据。
这些孤立的反物质有两种可能的来源：一是来源于一些孤立的发射点，例如正在发生很高能反应的一些星系核和类星体上产生的反物质，但它们随后就湮灭了；二是高能粒子碰撞产生的次级产物。总之，不管这些反物质来源如何，都不能说明有一个反物质世界存在。
没有观测到大量反物质，是不是就意味着没有反物质世界呢?不一定。有人用蚂蚁爬纸条来说明反物质世界和物质世界之间的关系。取一张小纸条，把两头粘在一起，让一只蚂蚁在上面爬。假如不允许它爬过纸条边缘，它怎样才能爬到纸条的另一面呢?
有人提出两个方法：一是蚂蚁爬过纸带边缘；二是在纸带上打个洞，让蚂蚁钻过去。可这两个方法都是不允许的，因为二者都要爬过纸条边缘。如果我们用手分别捏住纸条的两头，把纸条旋转180度，再粘在一起，纸条的两面就变成一面了，蚂蚁只要在纸条上爬行就可以轻易地爬到纸条的另一面。
这个例子好比我们没观测到反物质世界，或许并不是因为没有这样奇异的世界，而是我们没有把“纸条旋转180度粘在一起”。换句话说，假如我们的观测方法得当，观测到反物质世界也许是唾手可得的事。
宇宙失衡之谜
从根本上讲，反物质就是普通物质的镜像。正如我们照镜子一样，镜中的像与我们并无二致，数量也应是相等的。大多数理论家认为，在宇宙大爆炸期间产生的粒子与反粒子数目几乎没有差别。但在我们思维所及的范围，一切都是普通物质组成的，月亮、太阳、星星、星系和星系团概莫能外，只能偶尔见到一两个反物质或反物质喷流。科学家把这种现象叫做“宇宙失衡”。这是一个令科学家困惑的宇宙之谜。对这种现象有两种看似可行的解释。
第一种解释是，普通物质和反物质的物理性质可能存在着微小差别，使得早期宇宙过多地被普通物质所填满。在理论上，虽然预言反物质世界可以映出普通物质世界的完美身影，但实验已经证实“镜子”存在着一些“划痕”。例如CERN在1998年的实验显示，一些名为K中介子的特殊粒子时不时地转变为反粒子，使得普通物质与反物质之间失去平衡。2001年，加拿大和日本的粒子加速器也发现了类似现象，而且在更重的K中介子同位素B介子之间发现了更加不均衡现象。为深入探讨宇宙失衡问题，CERN准备启用大型强子对撞机做B介子试验，使用一台4500吨重的探测器来寻找更多的K介子。
第二种解释是，宇宙形成后数秒内，普通物质与反物质湮灭得不充分，它们在相互消灭对方的过程中设法逃离了出去。反物质可能就隐藏在宇宙的镜像区，在那里，可能存在反恒星、反星系甚至反生命。最初可能普通物质多一些，或者反物质多一些，随着时间推移。这种微小的差异扩展到宇宙的各个区域，形成了今天的普通物质与反物质的分离局面。
科学之谜终究要靠科学实验来解答，宇宙失衡之谜也是一样。如CERN所做的那样，物理学家已在地面实验室通过做实验的方式来寻找答案。从十年前起，中日两国科学家在海拔4300米高的西藏羊八井地区设置了分散的粒子探测器，开展宇宙射线研究，先后接收到正电子、μ子、π介子等高能粒子。后来，他们又改建了新的“地毯”式探测阵列，用以接收来自宇宙的高能射线和反物质粒子。
中国科学院高能物理研究所还和意大利合作，在西藏建成世界上第一个1万平方米“地毯”式粒子探测阵列实验站，目前该探测阵列的实验厅已经完工。科学家正在铺设“地毯”，计划两年后完工。这是世界上海拔最高的科学工程，是地面宇宙线探测的重要基地。
除了地面实验和观测外，天文学家和空间科学家还联袂用空间观测手段来解疑释惑。在3000万光年以内的反物质，由于同普通物质碰撞而迅速湮灭。很难观测得到，即使空间探测器遇到了它们，也无法直接观测出来，因为今天的天文观测大多数是接收天体发射的光子。
从理论上讲，普通物质的天体如果辐射光子，反物质的反天体也应当辐射反光子。光子是中性粒子，光子与反光子是同一种粒子。天文学家通
过光子(包括可见光、射电波、X射线和伽玛射线)观测，区分不了它们是来自天体上的物质，还是来自反天体上的反物质。
恒星和星系除了辐射光子外，还辐射中微子。中微子与反中微子很不一样，如果天文学家能接收中微子，对探测反物质是有益的。可惜中微子与任何物质的相互作用都很微弱，很难探测到它们，因此探测中微子需要很大很大的探测器。以今天的科学技术来建造中微子探测器是非常困难的。当今世界上只有美国和日本有这样的探测器，它们都建在地底下，并且效果都不理想。
不过，天无绝人之路，开辟道路的是阿尔法粒子。宇宙线中含有极少量阿尔法粒子，但从没有发现过反阿尔法粒子，这说明原始宇宙线是由普通物质组成的。如果宇宙中有反物质恒星，那么宇宙线中的阿尔法粒子将与它发射的反阿尔法粒子碰撞而湮灭，产生π介子，并很快衰变成伽玛射线。因此，通过阿尔法粒子观测就可以判断宇宙中有没有反恒星存在。
美国宇航局早就想设计仪器来探测阿尔法粒子，而这个想法现在由丁肇中领导完成。仪器名字叫做“阿尔法磁谱仪”(简称AMS)，它是进入太空的全能粒子探测器。
它和地下加速器有两个重要区别。首先，它探测的粒子能量大大高于粒子加速器激发的重原子核能量。例如，世界最大的粒子加速器——CERN的大型强子对撞机可以把粒子撞击到近7万亿电子伏特，而宇宙线的能量可以高达1万亿亿电子伏特以上。
其次，地面加速器是使粒子相互撞击，而AMS是从深空选取高能粒子样品。AMS是大型空间粒子探测器，能够获得很多很多数据。由于数据太多，需要在太空探测器上安装超巨型计算机，进行必要的数据处理和向地面发送数据。为此，AMS需要2.5千瓦能源，这远远超过普通空间飞行器上太阳能电池板的供电能力，所以必须把它放在国际空间站上，因为后者能提供100千瓦的电源。
1998年6月2日，由中国台湾与美国合作的Ｉ型AMS由美国“发现号”航天飞机带入太空，在近地轨道附近飞行了10天，发现了宇宙线的许多新现象。2007年，中国科学院、东南大学和中国台湾与美国合作的血型AMS由美国航天飞机送人国际空间站运行。AMS实验室对于人类认识宇宙的形成机理有着极其重要的意义，利用AMS的观测数据有望破解宇宙失衡的奥秘。
反物质飞船
物质与反物质湮灭，质量可以完全转化为能量，带来最大的能源效率，且种类型是利用正电子湮灭产生的热量来排出流体。第三种类型是用湮灭伽玛单位质量的产能量是核能的千百倍，是普通燃料的亿兆倍，所以科学家尝试着把反物质作为新能源进行研究和开发，试图让反物质在很难补给燃料的行星际飞行和星际飞行中发挥作用。
反物质推进飞船是科幻文学中最具吸引力的词汇，也是粒子物理学中几乎像黑洞一样的话题。在科幻作品中，反物质是飞向行星、飞向恒星的飞船最理想的燃料。把人类送上火星，需要使用成千上万吨化学燃料，而以反物质推进火星飞船，仅仅几十毫克就够了，而且只需要6周时间。
目前，反物质火箭的结构设计正在拟议之中，初步样品尚未研制出来。根据科学家的提议，有以下三种供选择的类型：直接使用反物质湮灭产生推进力；用加热的工作流体作为推进剂；将加热的工作流体用来发电，再使用某种形式的电动飞船推进系统。
上述第一种类型，就是在反质子湮灭反应中，产生带电和不带电的两种介子和伽玛射线，带电的介子可以用磁喷嘴做通道产生推力。这类反物质火箭是产生热的核心装置，但效率不高。第二射线加热和烧蚀船帆，由烧蚀物质提供推力。
不管上述哪种类型。火箭都要利用反物质给电动空间驱动器充电，都与普通核电力火箭设计相类似，即反物质湮灭能量直接或间接用于加热工作流体，提供动力或用来发电，给某种形式的电力空间推进器系统提供电能。
最新的反物质火箭燃料采用正电子设计。正电子产生的伽玛射线能量仅为反质子的11400，可以避免产生极具放射性污染的副作用。
一个美国科学家研究小组正致力于研发采用正电子设计的反物质动力宇宙飞船。在研究中，科学家发现反物质飞船面临两大难题。第一个难题是反质子价格昂贵。使用现在的技术，每生产1毫克正电子大约要耗费2500万美元，设备改善后，捕获反质子的成本有可能降到每毫克5万美元。可喜的是，芝加哥郊外的费米实验室的新设备允许产量增加10倍，即每年可生产15毫微克正电子，正电子的价格可望进一步降低。
第二个难题是正电子储存困难。粒子与反粒子碰到一起就像冰块遇上火球，或者一起消失，或者转变为其他粒子，所以在地球上，反物质一旦碰上其他物质就会灰飞烟灭。目前的反物质一般储存在“彭宁阱”内，但这只适用于储存极少量的反物质，不能作为太空反物质飞船的燃料储存器。CERN正努力生产反氢原子，并期望能利用“伊奥夫－普里查德阱”把大量反氢原子安全地长期储存起来。
如果这种技术被证明前景广阔，并且能吸收到足够的开发资金，那么正电子动力飞船就将成为人类飞往火星的工具。
有科学家认为，反物质动力飞船最重要的优点是比较安全。目前计划设计的“火星参考飞行器”使用核动力推进器，可以缩短飞往火星的时间，使宇航员暴露在宇宙线中的时间减少，从而增加了安全性。但是，核反应堆很复杂，在飞行中可能存在较多的安全隐患。
正电子反应器则具备核反应堆的所有优点，而且结构简单，也没有核污染。核动力飞船由于带有核燃料，即使在燃料用完以后，核反应堆依然存在放射性，因此在飞船到达火星后，必须考虑让核反应堆进入一个特别的轨道，使它至少在100万年内不与地球相遇。
而正电子动力飞船在正电子反应堆燃料用完后不会留下放射性，即使正电子反应器意外地重返地球大气层，也不存在安全问题。此外，如果火箭携带的核反应堆发生爆炸，必定向大气层释放放射性粒子，而正电子动力飞船如果发生爆炸，它将释放伽玛射线，而伽玛射线瞬间消失。没有放射性粒子随风飘移。
在爆炸的一刹那间，释放的粒子局限在一个狭小区域内，危险区限制在飞船周围约1千米范围，与一枚普通大型化学火箭巨大爆炸造成的危险区大小相同。
正电子动力飞船的另一个重要优点是速度。核动力飞船载宇航员去火星需要180天，而先进的正电子动力飞船只要一半时间。或许只要45天就够了。
反物质武器
科学家还尝试利用反物质制造反物质武器。
反物质武器是一种以反物质作为能量、推进剂或爆炸物的器件，是想象中的拥有超强力量的武器，目前还仅存在于科幻小说中。不过，美国空军已对其可能的军事用途，包括毁灭性效果产生了兴趣，自冷战以来，他们一直在资助与反物质有关的物理研究。
反物质武器的保密性很强，相关资料释放得很少。从其中的只言片语小我们可以知道，反物质炸弹不但易于引爆，而且不产生核辐射，是一种“干净的氢弹”。它拥有氢弹的爆炸威力，却不造成核污染；它不像原子弹那样必须达到临界质量才能爆炸，而是在特别微小的质量下也能爆炸；它还不像氢弹那样要求很高的点火温度。这是一种可作为热核爆炸或激发极强X射线或γ射线的“扳机”武器。
反物质武器具有第四代核武器的共同特点：其一，虽然威力巨大，但其附带杀伤效应较小。新一代核武器强化了核反应中的部分杀伤效应，同时抑制了其他杀伤因素和破坏因素的产生。其二，杀伤手段与杀伤、破坏目标更为单一。新型核武器可只应用爆炸产生的冲击波、电磁脉冲或是其他杀伤、破坏因素攻击特定目标，使用者在使用核武器攻击时有更大的选择余地。其三，研究手段中高科技含量非常高。由于反物质本身之谜还没解开，要想把反物质武器投入战场，还需要很长时间。
所以，核武器专家认为，反物质武器是第四代核武器。
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