粒子物理中的反物質概念
正反物質粒子-內部結構模型圖電子和反電子的質量相同，但有相反的電荷。質子與反質子也是這樣。那么中子與反中子的性質有什麼差別？其實粒子實驗已證實，粒子與反粒子不僅電荷相反，其他一切可以相反的性質也都相反。這裡我們討論一下重子數的概念。
質子與中子被統稱為核子。人們從核現象的研究發現，質子能轉化為中子，中子也能轉化為質子，但在轉化前後，系統的總核子數是不變的。50年代起的粒子實驗表明，還有很多種比核子重的粒子，它們與核子也屬同一類，這類粒子於是被改稱為重子，核子僅是其最輕的代表，一般的規律是：當粒子通過相互作用而發生轉化，系統中的重子個數是不會改變的。
由於重子數的守恆性，兩個質子相碰是不會產生一個包含三個重子的系統的，那么反核子應當怎么產生？實驗表明，反核子總是在碰撞中與核子成對地產生的。例如
p+p → N+N+N+N'+若干 π 介子
其中N代表質子或中子，N'代表反質子或反中子。反核子一旦產生，它常很快與周圍的某個核子再相碰而鹹對地湮滅。例如N+N' → 若干 π 介子
對於比核子更重的重子，情況完全一樣。反重子也總是與重子成對地產生，成對地湮滅的。這些經驗使人們認識到，重子數的守恆規律需要重新認識。
現在人們把重子數B當作描述粒子性質的一種荷。正反重子不僅有相反的電荷，而且也有相反的重子數B。令任一個重子都具有重子數B=+1，則任一個反重子都具有B=-1。介子、輕子和規範子等非重子不具有重子數，即它們有B=0。重子數的守恆規律可表述為：任何粒子反應都不會改變系統的總重子數B。這表述既反映了不涉及反粒子時的重子個數不變，也概括了反粒子與粒子的成對產生和湮滅。現在我們容易理解中子和反中子的區別了，它們具有相反的重子數B，因此反中子能與核子相碰導致湮滅，而中子則不能。
此外，人們還類似地發現了輕子數的守恆性。中微子雖不帶電，也不具有重子數，但它與反中微子具有相反的輕子數。按輕子數的守恆性，中微子與反中微子的物理行為也是很不一樣的，實驗還表明，介子數和規範粒子數是不具有守恆性的。這樣我們看到，電荷只是粒子的一種屬性，另外還有用重子數和輕子數等物理量刻畫的其他屬性。正反粒子的這些屬性也都是相反的。
我們周圍的巨觀物質主要由重子數為正的質子和中子所組成。因此，這樣的物質被稱為正物質，由他們的反粒子組成的物質相應地叫反物質。從粒子物理的角度講，正粒子和反拉子的性質幾乎完全對稱，那么為什麼自然界有大量的正物質，而卻幾乎沒有反物質呢？這正是我們現在要討論的問題。
反物質天體
粒子實驗已證實，正反粒子的強作用和電磁作用性質完全一樣，因此反質子和反中子也能結合成帶負電的反原子核，反核和反電子結合在一起，就能組成反原子。我們的正物質世界有多少種原子，相應在反物質世界中也能有多少種反原子，而且它們在結構上將是完全沒有區別的，延伸起來講，大量反原子可以構成反物質的恆星和星系。如果宇宙中正反物質為等量，那么這樣的反恆星和反星系就應當存在。因此這給天文學家提出了一個深刻的問題：天上有反恆星和反星系嗎？要由觀測來分辨遠處星系由物質構成或反物質構成並不容易，至今的天文觀測只是接收遠處天體所放出的光子。原則上，正物質天體若輻射光子，那么同樣的反物質天體應當輻射反光子。但是光子是純中性的粒子，因此光子與反光子是同一種粒子。這樣，天文學家通過可見光、射電、X射線或 γ射線觀測，原則上無法區分他的目的物是由物質構成還是由反物質構成。恆星和星系除了輻射光子外，它們還輻射中微子。中微子與反中微子很不一樣，如果天文學家能接收中微子，那么他就能區分物質天體與反物質天體。可惜中微子與任何物質的相互作用都很微弱，造一個能接收它們的儀器很困難。今天用這辦法來區分物質天體或反物質天體還辦不到。那么讓我們問：與我們最鄰近的太陽或月亮會是由反物質組徹嗎？
月亮是離我們最近的天體，由地面出發的太空人已在月球上登入過。如果月球是由反物質組成的，那么在那位太空人與月球接觸時，湮滅過程早已把他轉化為介子了。這是直接證據，表明月亮是正物質天體。至於太陽，那是人類沒有可能登入的地方。那么怎么才能知道它不是由反物質組成的呢？太陽表面的氣體很熱，其中熱運動速度較快的原子的速度已超過了太陽表面的逃逸速度，這就是太陽風的起因，若太陽是反物質恆星，太陽風就由反原子組成，它吹到行星上，就會和行星的正原子相湮滅。於是正物質組成的行星會逐漸消失掉，這種消失過程沒有發生，就證明了整個太陽系中沒有反物質天體。這樣，如果要存在反物質天體，它至少應在太陽系之外。
把眼光放遠到整個銀河系，要問的是：在這個由千億個恆星構成的系統中，會有一部分是反恆星嗎？今天人們也已能肯定地回答：不會有。我們從地面上能接收到太空中飛行的宇宙射線。觀測統計表明，宇宙射線粒子中反質子僅是質子的萬分之幾，並且這少量的反質子是高能粒子碰撞的次級產物，而不是原始的，此外宇宙射線中有很少的 α 粒子（即氦核），但是反 α粒子卻一個也沒有發現過，這些事實說明原初的宇宙射線是由正物質組成的。如果銀河系中有反物質恆星，那么宇宙射線粒子將與它碰撞而發生湮滅。湮滅產生的π 0 介子將很快衰變而成 γ 光子。因此這種湮滅過程是能夠通過 γ 射線的觀測來發現的。正是沒能找到湮滅過程所放出的很有特徵性的 γ光子，使人們知道，銀河系中並沒有反恆星的存在，整個銀河系都是由正物質組成的。
宇宙是由大量星系構成的。若在遠處有反物質組成的星系，原則上也能用同樣的道理來發現。星系之間並不是真空，而是瀰漫著很稀薄的氣體。因此，若既有正物質星系又有反物質星系，那么正反物質必會相遇，相遇處必會有湮滅過程發生。人們著意地尋找了相應的 γ射線，而沒有找到過。於是得出結論：在三千萬光年的範圍內不會有巨大的反物質星系存在。若在更遠的地方有這種湮滅發生，由於它的信號太弱而沒有被發現是不能排除的。所以上述結論是今天的觀測能力所能給出的回答。
在這樣的結果面前，人們的看法分成了兩種。一種認為宇宙中正反物質應當是等量的，需要的是從更遠處去尋找反物質星系存在的證據。另一種認為事實已暗示，宇宙中沒有大量的反物質存在，需要的是從宇宙的演化中去尋找造成今天沒有反物質的原因。
