地球上构成我们的物质是由原子组成的：核心是质子和中子，电子围绕原子核运行，以各种方式结合形成我们周围的世界。对于物质的每一个基本粒子和复合粒子，都有其反物质对应物：质子对应反质子，中子对应反中子，电子对应正电子，等等。当物质和反物质碰撞和相互作用时，它们会湮灭，产生自然量子定律以及爱因斯坦最著名的公式 E = mc² 所允许的纯能量和粒子。

但物质和反物质相互作用时总是会湮灭吗？难道其他类型的互动不是可能的吗？这引起了订阅者的兴趣，他写道：

“什么物理原理规定物质和反物质相遇时必须湮灭？从逻辑上讲，当物质被创造出来时，反物质可以（但不一定）被创造出来以满足守恒定律。时间可逆性意味着电子和正电子可以转回为光子，但它们不能也形成电子-正电子原子吗？中子和反中子不能互相排斥吗？”

物质和反物质的湮灭似乎是不可避免的，但它真的100%发生吗？如果它们真的湮灭了，什么物理原理决定了这一点？这些都是有趣的问题，物理学确实提供了答案。让我们弄清楚一下。

当自由电子与原子核重新结合时，它们会级联降低能级，发射光子。为了在早期宇宙中形成稳定的中性原子，它们必须达到基态而不产生潜在的电离紫外光子：这是一个复杂的过程，意味着中性原子直到热大爆炸开始数十万年后才形成。

每当两个粒子彼此靠近时，它们就有可能（但不能保证）发生相互作用。相互作用的概率是使用所谓的横截面来确定的：一个粒子必须“撞击”另一个粒子的有效面积。我们知道，质子和中子等粒子具有一定的尺寸：半径略小于飞米（10^-15米），而电子被认为是点状的，最小半径应小于飞米的十分之一。阿米计（10 ^-19 米）：这个数字是通过深度非弹性散射实验得知的。

看起来，考虑到这些物体的大小，我们可以简单地通过假设它们是具有一定半径的球体来估计它们的横截面，并且它们的横截面将等于圆的面积：πr² 。如果我们以经典的方式考虑它们，这将是相当合理的：例如，作为台球。

但这假设粒子和反粒子的相互作用是简单而经典的：它们像台球一样相互“弹跳”，除非它们完全对齐并发生物理碰撞，否则它们不会相互作用。但这根本不是真的。

已有 100 多年历史的传统原子模型代表一个带正电的原子核，带负电的电子围绕该原子核运行。尽管这张图来自过时的玻尔模型，但我们只需考虑量子不确定性就可以得出更好的模型。

例如，考虑由自由质子和自由电子形成中性原子。质子的大小约为飞米，而电子则更小。但要形成原子，不需要电子与质子碰撞；只需将质子碰撞即可。电子足够接近质子（大约 10^-10 米）就足以发生形成束缚中性原子的量子过程。当质子和电子发生电磁相互作用时：

• 自发发射辐射量子>

• 形成与质子（激发原子）的束缚态，

• 然后电子沿着原子内的各个能级级联，

• 在每个阶段发射一个光子，

• 直到它达到基态，成为稳定的中性氢原子。

换句话说，由于质子和电子这两个粒子之间存在束缚态，因此我们必须考虑这样一种可能性：它们可能形成这种束缚，而不是像正常散射过程中那样简单地相互“弹跳”以某种方式相互作用的状态：电磁 此外，由于这些粒子是量子的（而不是“经典”粒子，其行为总是像台球），我们不能简单地将它们视为具有特定横截面的球体。

该图说明了位置和动量之间固有的不确定性关系。当一件事被更准确地了解时，另一件事本质上就不太可能被准确地了解。其他成对的共轭变量，包括沿两个垂直方向旋转的能量和时间，或角位置和角动量，也表现出相同的不确定性关系。

相反，我们必须认识到，这些粒子，无论它们相对于彼此运动的速度有多快或能量有多高，本质上都是量子粒子。这也适用于反粒子；我们谈论的是物质还是反物质并不重要。因为它们本质上是量子的，所以它们的位置无法精确确定，但具有固有的不确定性：每个粒子（或反粒子）的动量已知得越精确，这种不确定性就会增加。这是由于海森堡测不准原理的一个体现，该原理指出：

Δx Δp ≥ ℏ/2，其中 x 是位置，p 是动量，ℏ 是普朗克常数。

每当两个（或多个）量子的波函数之间存在重叠时，就有两种解决问题的方法。我们可以从理论角度来解决，使用量子场论来计算诸如横截面、振幅和获得各种最终状态的概率之类的东西，包括简单的前向散射（反弹）、过渡到束缚态（稳定或不稳定）之类的东西），或相互作用和/或湮灭形成各种产物。在物理学中，必须考虑未明确禁止的每个结果的概率，无论它有多小。

高能粒子可以与其他粒子碰撞，产生可以在探测器中看到的新粒子流。通过重建各自的能量、动量和其他属性，我们可以确定最初发生的碰撞以及结果发生的情况。

我们还可以从实验的角度来解决：只需直接测量这些量，包括前向散射、束缚态形成，以及在物质和反物质的情况下，湮灭产生各种衰变产物的可能性。与您的想法或预期相反，物质和反物质的湮灭并不总是 100% 发生。

以质子及其反物质对应物：反质子为例。在欧洲核子研究中心推出大型强子对撞机（质子与质子对撞）之前，它是世界上最强大的粒子加速器和对撞机的主要研究焦点：费米实验室的 Tevatron。当您以不同的速度/能量向对方发射质子和反质子时，结果可能会让您感到惊讶。实验已经证实，相互作用横截面并不像您所期望的那样由单个量表示，如果质子和反质子的行为就像台球一样。

相反，您会发现横截面取决于能量，并且以违反直觉的方式。在约 200 GeV 及以上（超过任何和所有标准模型粒子的静止能量的能量）等高能量下，质子-反质子横截面与质子-质子横截面相同，就好像一个是否存在并不重要粒子是物质，另一个是反物质或不是。

但在较低能量下，质子和反质子之间的相反电荷以及它们形成束缚态的潜力占主导地位，并导致质子和反质子的横截面较大。

总质子-反质子截面与可比较的质子-质子截面相比，作为能量的函数。在高能量（约 200 GeV 或更高）下，这些横截面是相同的。但在较低能量下，质子和反质子的相反电荷以及它们形成束缚态的潜力起主导作用，并导致质子和反质子的横截面较大。

然而，在更低能量下，质子-反质子碰撞或相互作用的横截面比质子-质子高得多，因为在低动量下，质子和反质子有更多的时间重叠其波函数，使得至少一种其中质子内部的物质夸克（上夸克、上夸克和下夸克）可以与反质子内部的至少一个反夸克（反上夸克、反夸克和反夸克）相互作用。由于历史原因，粒子物理学家以称为谷仓的单位测量横截面积，仿佛 “你试图撞击谷仓的宽边”。

实际上，谷仓是一个（实际上是核）部分的单位，对应于边长为 10 飞米（或 10^-14 米）的小正方形。10 毫巴，对应于上图中 y 轴上的数字之间的间距，对应于侧面的一个微小的平方飞米（10^-15 米）。

在讨论物质和反物质时，我们经常会遇到这样一个概念：物质可以是“正能量”状态的粒子（如质子、中子、电子等），而反物质可以是相应的“负能量”状态的粒子（即反质子、反中子、正电子等）。当物质和反物质碰撞并相互作用时，它们会湮灭，产生自然量子定律以及爱因斯坦最著名的公式 E = mc² 所允许的纯能量和粒子。

但并不是所有的物质和反物质粒子都会湮灭并产生能量。有时，它们只是经历弹性散射，就好像它们是台球一样。有时，在足够低的能量下，它们甚至会形成束缚态，例如质子和反质子的奇异原子。在这些系统中，粒子被库仑吸引力保持在一起，但不会发生湮灭。

没有物理法则要求物质和反物质在相遇时必然湮灭。事实上，它们并不总是这样做。所有种类的物质粒子（以及所有种类的反物质反粒子）与其反伙伴（或伙伴）都有有限的相互作用横截面，这取决于能量。有时，只是存在弹性散射，就好像这些颗粒是台球一样。有时，在足够低的能量下，它们可以形成束缚态，例如质子（对于质子-反质子对）或正电子（对于电子-正电子对），它们可以在粒子世界中存在相对较长的时间：长达一微秒或者 。

但是，无论是在非常低的能量还是非常高的能量下，都存在巨大的横截面（或相互作用的概率），这会导致物质和反物质粒子相互湮灭，碰撞能量加上每个湮灭粒子的剩余能量决定了如何通过爱因斯坦方程 E = mc²，大量能量可用于创造新粒子（或粒子-反粒子对）。尽管我们认为质子（和反质子）具有确定的尺寸，而电子（和正电子）是点状粒子，但它们的实际横截面取决于能量和动量，并要求我们将这些粒子视为量子实体：波函数分布在空间，它们重叠并有机会通过量子隧道到达另一个状态。

湮没率（或横截面）如此之大的原因是由于粒子的量子性质和海森堡不确定性原理，其中位置的不确定性至关重要。这进一步证明我们对宇宙的古老、经典的思考方式已经过时，并强调了量子过程在几乎所有可以想象的亚原子过程中的重要性！