我們經常聽說反物質和暗物質，這兩種神秘的物質有什麼區別？

我們平時在看科學文獻或者觀看科幻電影時，經常會看到反物質、暗物質這樣的字眼，之所以給它們冠名以“反”和“暗”，肯定是與組成我們現實的物質是不同的，勢必存在着它們各種特殊的特性，以至於在現實世界中很難被發現和捕捉。那麼，反物質和暗物質有什麼區別呢？

兩種物質是如何發現的？

反物質的發現歷程：在上世紀20年代的時候，著名的物理學家狄拉克在研究氫原子的能級分佈時，將用來描述微觀量子領域的薛定諤方程，通過應用洛倫茲變換的方式，與可以描述宇宙量級時空變化的相對論進行了完美結合，形成了可以描述氫原子自旋-1/2粒子的波函數方程，使微觀粒子的運動同時遵守量子力學和狹義相對論的基本原理。然而，這個公式推導出來之後，人們發現了一個奇怪的問題：

這個方程中出現了電子負能級的表達，在這以前物理學領域中是聞所未聞的。因爲從原子核外的運動來看，其在沒有施加外部能量的情況下，會安穩地圍繞原子核進行基態運轉，而施加一定的能量之後，電子的能級就會發生躍遷，跑到能級更高的軌道運動了。如果將基態電子看成能量的零級，那麼在躍遷之後，就會相應地提升到一級、二級等上面去。而狄拉克方程中出現的負能級電子，相當於既沒有處在基態，也沒有處在正能級的躍遷軌道上，而是隱藏在了一個負能級的軌道上，基於此，狄拉克預言了反電子的存在，即帶有正電荷、質量和電量與電子均相同的一種特殊粒子形態。

後來，許多科學家在實驗過程中，相繼又發現了反質子、反中子、反氘核、反氫原子等微觀粒子，據此，科學家們認爲，在這些反粒子的結合下，有可能會組合成反物質，這種物質的性質，與由相對應的微觀粒子組成的現實世界中的物質完全相反。

暗物質的發現歷程：上世紀30年代，瑞士天文學家茨威基在研究后髮座星系團時發現了一個奇怪的現象，這個星系團內的天體運動速度，要比通過引力數據理論上計算出的速度要快得多。在天文學的研究中，科學家一般都是通過觀測星系的運動速度，來推算星體的總質量，如果運動速度越快，則代表所受到的引力場就越大，說明星系團的總質量也越大。茨威基按照觀測的這個速度反推星系團的總質量，發現要比實際觀測得出的數據高出幾百倍。如果沒有別的物質增加星系團的總質量的話，那麼天體的運動速度如此之快將會使整個星系徹底瓦解。

基於這樣的觀測結果，茨威基將這種可能存在星系團中隱藏的物體命名爲暗物質，由於當時觀測和研究水平的限制，在接下來的幾十年中科學界並未對此進行過多的關注。直到上世紀60年代，美國卡內基研究所在對鄰近宇宙空間的漩渦星系進行旋轉曲線研究時，發現能夠觀測到的所有漩渦星系，其外圍恆星的旋轉速度都過於快速，而來自星系中心的引力不足以支持這個速度，至少要有這個星系團至少6倍質量的其它物質，來提供額外的引力束縛，否則外圍的恆星將在超出常規的快速旋轉下被甩出星系。

後來，科學家們又對其他星系開展了相應的旋轉曲線研究時，也發現了同樣的結果，於是科學家們將提供額外引力的這個“看不見的手”正式命名爲暗物質。

兩種物質有何特性

反物質的性質：從字面上理解，正與反是相互對立的一組概念，正所謂物極必反、一物降一物，正粒子與反粒子，正物質與反物質都屬於這樣的對立範疇。截至目前，科學家們針對每一種現實世界中存在的基本粒子，都找到了相應的反粒子。

從性質上看，正、反粒子無論是在電荷性、自旋方向、重子數量等方面都是完全相反的，二者的質量相同，可以將反粒子作爲正粒子的一種鏡像進行理解。當相應的正、反粒子相遇時，會發生劇烈的湮沒現象，所有物質瞬間煙消雲散，但可以釋放出總量爲(m1+m2)*c^2的能量，能量的承載載體一般是由r光子或者中微子（介子）實現。

從這個過程可以看出，即使質量非常微小的正、反粒子，它們在發生湮滅時也能夠釋放巨大的能量，這種方法產生的能量，將比其他任何先進的方法產生的能量要多得多，只不過要創造出反物質實在是難度太大。科學家們通過大型對撞機，投入幾十億的資金所創造出來的反物質，在與正物質湮滅時所產生的能量還不夠燒開0.1升的水。

暗物質的性質：與反物質和正物質正好相對不同，暗物質已經是被科學界證實廣泛存在於宇宙空間中的一種物質，是宇宙的重要組成部分。通過科學家的長期觀測和研究，認爲暗物質是一種比電子還要小得多的微觀物質，由於它不帶電荷，不發出電磁波，不會與電子發生相互作用，具有極高的自由度，可以輕鬆地穿過電磁場，正是由於這種特性，暗物質不會直接被觀測到。

然而，暗物質能夠引發引力效應，在宇宙大爆炸之後，隨着溫度的逐漸降低，在各種物質之間的引力作用下，推動形成現有的宇宙天體及其分佈和運行規律，而暗物質在此過程中起到了至關重要的作用，在一定程度上延緩了宇宙膨脹的速率，與萬有引力一起，使各星系之間維持着一種引力的平衡狀態。通過科學家們的長期監測分析，在宇宙大爆炸之後，溫度逐漸冷卻之後，形成的正常普通物質、暗物質以及暗能量，它們在宇宙總質能中所佔的比例分別是4%、23%和73%。

另外說一下，這裡的暗能量是在宇宙大爆炸之後，驅動宇宙發生膨脹的主要驅動力，它與暗物質一樣，不會發生被吸收、以及參與電磁場的各種運動形式，因而也不能夠被觀測到。

總結一下

反物質和暗物質都是通過大量的實驗表明了它們的存在、然後又通過長期的觀測研究證實存在方式的特殊物質，但是二者從形成的機制、特性方面都存在着明顯的不同，反物質是正物質的鏡像，會與正物質發生湮滅；而暗物質不會參與電磁作用，只存在引力效應，不會與現實中的物質發生任何反應。