反粒子

對每一種物質粒子，大自然都留了一個鏡中的雙胞胎：相同質量、相反電荷。電子有正子（positron），質子有反質子，夸克有反夸克。當一個粒子遇上它的反粒子，它們會湮滅，整個質量透過 E = m c^2 化為一陣輻射。反物質聽來像科幻小說，然而一根香蕉大約每小時就從它的鉀衰變放出一個正子，而醫院每天在 PET 掃描中都用它來成像大腦。

反粒子的質量與自旋和它的粒子相同，但每一個可加性量子數的符號都相反——電荷，還有色荷、輕子數、重子數等等。反粒子並非意外發現，而是被預測出來的：1928 年狄拉克描述電子的相對論性波動方程有負能量的解，他把它重新詮釋為一個帶正電的夥伴，也就是正子，1932 年由安德森（Anderson）在宇宙射線中找到。在現代觀點下，一個粒子與它的反粒子是同一個底層量子場的兩種激發。最深的保證是 CPT 定理：任何合理的相對論性量子場論，都逼使一個粒子與它的反粒子擁有完全相等的質量與壽命。

有些嚴格中性的粒子是自己的反粒子——光子是標準例子——而微中子是否為自己的反粒子（馬約拉納粒子，Majorana particle）則是一大未解問題。反物質構成宇宙學的重大謎題之一：物理定律在物質與反物質之間看來幾乎完美對稱，然而宇宙卻由物質構成，幾乎沒有剩下反物質。解釋這個不平衡需要 CP 破壞，以及仍未完成的重子生成（baryogenesis）故事。一個常見的誤解是以為反物質具有負質量或「往上掉」；它具有一般的正質量，而且就實驗所能判斷，它和一切物體一樣往下掉。