众所周知，我们的这个世界是由物质组成的，而物质又是由原子、分子等微观粒子所构成。反物质则与之相反，它是由原子、分子的反粒子，即反原子和反分子所构成，因此，反物质具有与物质完全相反的性质。
反物质这一概念的提出由来已久，但它首先要从正电子的预言与发现说起。早在1928年，英国物理学家狄拉克在尝试将20世纪的两个最重要原理——相对论与量子力学结合起来的实践中就发现了这一现象，并预言了正电子的存在。而所有这一切则是由狄拉克建立的相对论波动方程中得出负能量值的解引起的。狄拉克在对这个方程求解的过程****得到了4个描述电子内部状态的解，用以说明电子应当具有4个内部状态。其中两个状态可以用电子的自旋及自身磁矩的存在加以解释；但对于方程的另两个附加解的求解过程中得到的负能量值的解就得出了离奇的结论。这就是说，如果一个电子真的能够存在于负能状态，那么它不会因与其他粒子相碰撞而逐渐减速并最终停下来，而是将加速得越来越快，直到它的速度等于光速。但是，从相对论方程的分析中很清楚地知道，这种性质是不可能的。由此，狄拉克提出了他著名的假设。
他假设我们平时所谓的真空，其实并不是真空的，而是所有负能级上都有两个电子的一种系统，所以，真空中就应有无穷数目的电子，并且全部负能级都被电子占满了。根据泡利汀容原理，电子不可能迁到某个已被占满的负能级。所以，它只能留在正能级区听之任之一个能级上。
因此，只能是处于负能级的电子受到激发后向正能级跃迁。这种过程正如电子正能级跳跃到负能级上的反过程，只要有能量大于能级的光子激发，是完全可能发生的。如果它发生了，那么这个具有正能量的电子将会使其跃迁出的负能级位置上出现一个空穴。怎么解释这个空穴呢？举个例子，若我们手上系着几个充满氢气的气球，就会感觉到手上有一个向上拉的力，如果突然有一个气球的引线断了，我们将感觉到向上拉的力减少了，但我们也可以解释为多了一个向下拉的力。同样，在负能级状态少一个电子的空穴行为就像在那儿产生了一个有正能量的带正电的粒子，这个粒子正是我们所谈的正电子。这样，人类便第一次从理论上预言了反粒子的存在。
紧接着在1932年，卡尔·安德生通过对宇宙射线的威尔逊层实验发现并证实了正电子的存在。继安德生发现正电子后，1955年，张伯莱发现了反质子，1956年又发现了中子。20世纪60年代前后相继发现了一系列反超子，一个又一个反粒子的发现使人们联想到是否所有的粒子都有与之相对应的反粒子呢？在此后进行的一系列实验中发现除了光子等少数粒子的反粒子是其本身外，所有粒子都有反粒子。人类自古就相信宇宙是对称的思想不禁又使人们想到了既然粒子能组成物质，那么反粒子为什么不会组成反物质呢？在当前公认的宇宙起源的大爆炸理论中则明确地提出了反物质是存在的，并预言了宇宙中应存在等量的物质与反物质。
但是探索反物质的道路是艰难的。从发现第一个反粒子到现在已近80年，其间人们也仅是从实验中获得了一些反粒子，并且最近几年才人工合成了第一种反原子——反氢原子。而对于能构成反物质的其他各类反原子、反分子都还一无所获，更谈不上反物质了。
产生这些困难的原因在于人们发现的反粒子都是从宇宙射线中获得的，而宇宙射线要到达地球首先要穿过厚达3000～4000千米的大气层，所以，射线中的绝大部分反粒子在到达地球前都已与大气层中的粒子中和了。因而人们所能探测到的反粒子就微乎其微了。
而且反粒子都很不稳定，很容易和周围物质粒子发生湮灭。1997年4月，美国海军研究实验室、西北大学和加州大学伯克利分校等五个著名研究机构的天文学家宣布，他们利用先进的伽马射线探测卫星发现在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源。它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达2940光年的“喷泉”。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。
正反物质相遇可释放出巨大的能量和比普通可见光强25万倍的伽马射线。银河系反物质“喷泉”是通过这一间接证据发现的，因而它对深入反物质的研究帮助不大。为了“面对面”地研究反物质，科学家想到了直接“捕捉”反物质。在地面，由于大气干扰，几乎不可能“捕捉”到反物质，因此，科学家把目光投向了太空。
1998年6月2日，美国“发现号”航天飞机携带阿尔法磁谱仪发射升空。这一核心部分由中国科学家制造的仪器，是当代最先进的粒子物理传感仪，目的是去太空寻找反物质。阿尔法磁谱仪这次随“发现号”上天，尽管没有发现反物质，但采集存贮了大量数据。2002年，它又被送上国际空间站，进行长达3年的数据采集工作。它对反物质的探索，很可能带来一次科学突破。
在自然界中寻找反物质难度很大，而且很难进一步研究它的性质，因此，近年来科学家尝试在实验室中制造反物质。
1995年，欧洲核子研究中心的科学家在世界上制成了第一批反物质——反氢原子，揭开了人类研制反物质的新篇章。科学家利用加速器，将速度极高的负质子流射向氙原子核，以制造反氢原子。由于负质子与氙原子核相撞后会产生正电子，刚诞生的一个正电子如果恰好与负质子流中的另外一个负质子结合就会形成一个反氢原子。在累计15小时的实验中，他们共记录到9个反氢原子存在的证据。由于这些反氢原子处在正物质的包围之下，因此，它们的寿命极短，平均一亿分之三秒（30纳秒）。
1996年，位于美国费米国立加速器实验室成功制造了7个反氢原子。此后，在实验室中制造反物质的工作受到很多科学家的高度重视。
目前在实验室中制造正电子、负质子等反基本粒子已是轻而易举，而将正电子与负质子组成反原子尚十分困难，因为将这两种粒子结合在一起并且能证实它们结合成反原子工作十分复杂，因此，科学家需要研制功能更强大的研究工具。
2000年8月10日，欧洲核子研究中心宣布，它建造的反质子减速器已经投入使用。这一“反物质工厂”将帮助科学家进一步探索反物质之谜，揭示宇宙诞生和演化以及物质世界构成等奥秘。
投入使用的反质子减速器是一个圆形混凝土盒，周长188米，耗资1150万美元。它利用磁场将高能反质子减速成速度约为光速十分之一的反质子。科学家将利用减速器产生的反质子进行实验，用磁场对反质子进行约束，或将反质子与正电子结合成为反氢原子。科学家计划在2000年年底前用反质子减速器制造出首批反氢原子，2002年完成对初步实验结果的分析。
目前，欧洲核子中心正在建设世界上最大的原子加速器——强子对撞机。这一对撞机得到欧洲国家和美国、日本、俄罗斯等国家的支持，并已在2007年建成投入运转，共耗资80亿美元。科学家认为，随着一系列包括探测器和加速器等研究工具的投入使用，人们将进一步揭开反物质之谜。
知识链接：“看不见”不等于“没有”：看不见的暗物质之谜
还有比类星体更怪癖的宇宙公民吗？有，它就是宇宙中的隐身人——暗物质。暗物质是人类用眼睛看不到的物质，即使是使用最先进的望远镜，也无法看到它的身影。不能看到，又如何知道呢？
让我们假设这样的一次舞会：男士们都身着黑色燕尾服，女士们穿着白色的长裙，在昏暗的舞场灯光下翩翩起舞。如果从远处遥望，只能看到女士们优美的舞姿，而看不到男士的身影；只有通过女士舞步的飞旋，我们才能感觉到男士牵引的力量。对暗物质的观察就是通过可见物质来完成的。
暗物质存在的第一个证据来自于螺旋星系。螺旋星系是一种存在恒星和气体的巨大的饼状星系。螺旋星系的物质围绕着星系中心旋转。人们计算后发现，如果它们只包含我们看到的恒星和气体，则高速的旋转早就将它们甩出星系了。由于它们没有被甩开，而且继续围绕着中心旋转，因此人们推测，在螺旋星系中必然存在某种看不见的“男舞伴”，其吸引力足以把旋转的星系牢牢抓住而不被甩开。
暗物质存在的另一个证据来自于星系团。我们观测到的星系在整个空间中分布得并不均匀，它们成团地集中在一起，其范围从几个星系直到几百个星系。通过观测发现，这些星系团中的个别星系的运动速度是如此之高，要不是引力吸引把星系抓到一起，这些星系团就会飞散开去。估算表明，能够把它们吸引成团所需要的质量比星团所能观测的总质量还要大很多。因此，在星系团中除我们观测到的星系以外，必然还存在背后的“黑手”，将那些速度快的成员束缚在集体中。
宇宙中的“隐身人”究竟有多少呢？这有一个令我们万分沮丧的答案，宇宙中约有90%的物质以看不见的“暗物质”形式存在，普通的可见星系中就含有大量的暗物质，除此之外，应当还存在许多完全由暗物质构成的暗星系。看来，在宇宙王国中，我们和我们所看到的星系，都只是宇宙中的“少数民族”而已。当然，我们也不能武断地说，所有的暗物质都是“同一民族”，暗物质理应是多品种的。
而在近期，天文学家们宣布已经发现有关暗物质存在的直接证据，但科学家们对于暗物质这一令人难以琢磨的物质有的也只是一个模糊的概念，对于其具体构成还不是十分明了。此次的观测结果来自于对已知宇宙中最剧烈的一次碰撞后的气体以及其中的恒星的测量，两个星系团在被称为子弹气团的物质中发生剧烈碰撞（两个星系团相向高速运动，由于构成星系团物质主体的炽热气体相互排斥，于是形成了子弹状气团），使得来自各自星系团的恒星以及暗物质互相撕裂，使得更广大区域内分布着的星际气体也发生碰撞并减速。
来自于哈佛大学史密森天体物理中心的天体物理学家马克希姆·马可维奇说：“一个典型的星系中所有的物质都占据着同一个空间，在发现的这个碰撞事件中，星际气体以及星系团在宇宙中被分裂开来，两个发生碰撞的星系团由于碰撞互相融合，但其中的星系气云的融合却不是那么简单。”这就好比两团内含葡萄干的巨大的麦片粥，以每小时数百万千米的速度发生了碰撞，葡萄干就好比星系团中的恒星和暗物质，麦片就好比其中的星际气体。碰撞后，其中的葡萄干可能会发生点对点的碰撞，而其中的麦片将在宇宙空间中黏附在不同的区域。结果是，空间中形成了不同的部分：一部分含有大量炽热碰撞气体，另一部分在可见星系团的两边则是所有的暗物质以及恒星。
天体物理学家们知道，可见的恒星始终同暗物质在一起，因为天体物理学家们通过测量光线在这一区域的弯曲情况来对恒星所处的区域的质量进行了分析。根据爱因斯坦广义相对论原理，光线在引力场中会发生弯曲，光线弯曲得越厉害，说明这一区域中的暗物质产生的引力场越强，从而也说明了其中的暗物质越多。在这种情况下，碰撞的星系团中的恒星区域其所拥有的质量要比可见恒星或星际气体的质量大得多，这其中的唯一解释就是暗物质的存在了。马可维奇说：“通过对这一现象的观察，给我们提供了一个直接而且简单的方法证明了暗物质的存在。”
天文望远镜功不可没
这次的观察发现使用了一系列的天文望远镜，包括在轨道上运行的哈勃太空望远镜、钱德拉X射线太空望远镜以及在地面上的欧洲南方天文台的大望远镜和麦哲伦望远镜。关于此次发现的论文将被发表在美国天文学协会期刊《天体物理杂志通讯》上。目前，我们对暗物质存在的了解仅仅建立在这样一个事实上：我们肉眼能看到的所有物质的质量只占星系团中很小一部分，也就是说，其产生的引力场只有整个星系团引力场的1/5，剩下的物质就是我们所说的暗物质了。
来自美国图森市亚利桑那大学的研究人员道格拉斯·克劳博士表示，对子弹气团（该气团的正式编号为1E0657-56）的观察并不能解释暗物质到底是什么，但这些观察到的现象为我们提供了一个可靠的线索，我们可以对暗物质粒子进行一些限制。
暗物质组成的线索
无论暗物质粒子是由什么组成的，它们要么像恒星一样在宇宙空间中广泛分布，要么可以通过某种方式可以避开相互之间的碰撞。克劳表示，这是一条小线索，但仅仅是观察到暗物质在子弹气团中被释放出来这一点就可以成为一条非同寻常的可靠线索，因为暗物质的存在被认为是宇宙中最神秘的一个事物。芝加哥大学物理学副教授肖恩·卡罗尔说：“这一发现最伟大的地方在于第一次向我们揭示了暗物质的存在。”这也意味着，对于我们在星系中观察到的现象可以继续使用爱因斯坦的引力定律来解释。
