반물질의 개념은 양전하와 음전하의 이원성을 분석하면서 처음으로 생겨났다. 전자의 에너지 상태에 관한 폴 A.M. 디랙 의 연구에서 반물질이 예측되었으며 결국엔 음전하 대신 양전하라는 사실만 빼고는 전자와 모든 면에서 똑같은 입자를 실험적으로 생성시켰다(→ 색인 : 디랙). 양전자(e^＋)라고 부르는 그러한 입자는 보통의 물질에서는 발견되지 않는다.

보통 물질에서 양전하의 기대수명이나 존속시간은 매우 짧다. 양전자가 굉장히 빠르게 움직이지 않으면 반대부호를 가진 전하들간의 인력에 의해서 보통의 전자에 가깝게 끌릴 것이다. 양전자와 전자의 충돌은 그들을 동시에 소멸시키고 그들의 질량은 아인슈타인의 관계식 E=mc²에 따라서 에너지로 변환된다.

이 과정을 소멸이라고 하며 생긴 에너지는 전자기 복사 나 감마선의 고에너지를 가진 양자의 형태로 방출된다.

역반응인 r → e^＋＋e^－도 적당한 조건에서 일어날 수 있으며 이 과정을 전자-양전자 생성이라고 한다. 이 마지막 과정이 실험실에서 양전자를 발생하는 데 흔히 사용된다. 양성자와 중성자의 반물질대응체인 반양성자()와 반중성자()는 그들의 존재 가능성에 대한 수년간의 연구 끝에 1950년대 중반에 발견되었다.

중수소의 핵에 해당하는 반입자인 반중양성자는 뉴욕의 브룩헤이번 국립연구소의 30GeV(기가전자볼트) 싱크로트론 에서 고에너지 충돌로 생성되었다. 반물질의 전기적 특성은 보통물질과는 반대이다. 따라서, 예를 들면 는 음전하를 가지고 은 비록 전기적으로 중성이지만 중성자와 반대부호의 자기 모멘트를 갖는다.

전자와 양전자에 대한 디랙의 이론은 전자와 양성자가 수소원자를 이루듯이 전자와 양전자가 쿨롱인력으로 인해 서로 결합하여 원자를 이룬다고 예측한다. e^＋e^－속박계는 포지트로늄 이라고 하며 소멸하여 감마선으로 되는 것이 관측되었다. 포지트로늄은 2입자의 방향에 따라서 10^－7~10^－10s 정도의 수명을 갖는다. 이 수명은 디랙의 이론으로 계산한 값과 잘 일치한다.

양성자와 중성자는 둘 다 디랙방정식으로 기술된다. 반양성자는 양성자와 양성자를 서로 충돌시킴으로써 생성된다. 충분한 에너지가 있으면, 즉 입사하는 양성자의 운동 에너지가 최소한 5.6GeV이면 양성자의 질량을 갖는 별도의 입자가 E = mc²의 공식에 따라 생겨난다. 그와 같은 에너지는 1950년대에 캘리포니아의 버클리 베바트론(입자가속장치)에서 생성가능하게 되었다.

1955년에 오윈 체임벌린 과 에밀리오 세그레 가 이끄는 물리학자들의 팀에 의해서 반양성자가 고에너지 충돌에서 생성되는 것을 관측했다. 반중성자도 고에너지를 방출하면서 물질 내에서 소멸하는 것이 버클리의 베바트론에서 관측되었다. 반양성자가 발견되었을 때쯤 새로운 원자구성입자들의 무리도 발견되었다. 현재 이 모든 입자들은 대응되는 반입자들을 가진 것으로 알려져 있다.

여기에는 양뮤온과 음뮤온, 양파이중간자와 음파이중간자, K중간자와 반K중간자가 있으며 중입자와 반중입자에 속하는 많은 입자들도 발견되었다. 새로 발견된 대부분의 입자들은 수명이 너무 짧아서 전자와 결합할 수 없다. 예외적인 것은 양뮤온인데 전자와 함께 뮤오늄원자를 형성하는 것이 관측되었다.

우주론적 문제에서 반물질의 중요성에 대한 연구가 많이 시도되었다.

물질과 반물질의 이론적이며 실험적 지식은 우주의 생성과 구성을 이해하는 데 도움이 된다. 어떤 별이라도 물질과 반물질이 밀접해 혼합되어 있지 않음이 분명하다. 만약에 그렇게 혼합되어 있다면 초신성보다도 더 격렬하게 즉각적으로 폭발하여 버릴 것이다. 성간 가스 그리고 은하계간 가스도 물질과 반물질의 혼합체가 될 수 없다.

이는 양성자와 반양성자가 파이중간자로 되는 소멸과정의 생성물 중에서 큰 에너지를 가진 두 감마선으로 붕괴하는 중성 파이(π⁰)중간자가 얼마간 존재하기 때문이다. 인공위성실험에서는 많은 양의 반물질이 소멸했음을 암시하는 충분한 양의 감마선을 발견하지 못했다. 그렇다면 물질과 반물질이 은하계 성단의 간격으로 떨어져 있다고 가정할 수도 있다.

중입자와 반중입자 쌍의 생성은 매우 국부적이어서 약 10^-13㎝의 간격에서 생성된다. 우주의 진화에 대한 현재의 이론으로는 물질과 반물질이 처음에 함께 생겼다면 왜 서로 섞여 있지 않은가를 설명할 수 없다. 반물질의 존재는 준항성체(퀘이사) 현상을 자연스럽게 설명할 수 있을 것이라는 제안이 여러 번 제기되었다.

준항성체는, 한 이론이 가정했듯이 외부 은하계까지의 거리만한 데에 있을 경우 작은 공간영역에서 굉장한 비율로 에너지를 방출한다. 그 비율은 너무 커서 물리학의 일반 법칙으로는 그것을 설명할 수 없다. 물질과 반물질의 소멸은 가장 효율적인 에너지 생성과정이며 준항성체에서 관측되는 상당한 양의 에너지 출력을 쉽게 설명할 수 있다.

어떤 과학자들은 물질-반물질이 소멸한다는 가정 없이도 준항성체에 대해서 좀 더 전통적인 설명이 가능하다고 생각하고 있다. X선의 천체물리적 생성원과 우주선에 대해서는 그와 같은 가정이 필요없다. 그럼에도 불구하고 우주 내에 반물질이 상당량 존재한다는 것은 현재로서는 완전히 배제할 수 없다.

또한 강한 복사를 나타내는 어떤 우주적 생성원이 물질과 반물질의 상호결합에 의한 것이라는 가능성도 배제하지는 못한다. 그러나 은하계 내의 반물질이 갖는 전체적인 상대량은 1/10⁷보다 작아야 한다는 것을 보일 수 있다. 반양성자가 발견되고서 반물질과 보통물질과의 중력이 인력이냐 척력이냐에 대한 물음이 곧 제기되었다.

이 물음은 물질과 반물질 사이의 중력이 척력이면 일반상대성이론과 맞지 않기 때문에 매우 중요하다. 이 질문에 대한 답은 K⁰와 ⁰ 중간자의 특성 때문에 실험적으로 얻을 수 있다. 와 K 사이의 간섭현상을 관측함으로써 M. L. 구드는 물질과 반물질 사이의 중력작용은 물질과 물질 사이의 중력과 같다고 결론지었다.