一种被称为反物质的物质是宇宙最大谜团之一的核心。我们知道，每个粒子都有一个反物质伴侣，它与自身几乎完全相同，但带相反的电荷。当一个粒子和它的反粒子相遇时，它们会相互湮灭——在一阵光中消失。

　　根据我们目前对物理学的理解，在宇宙形成的过程中应该产生了等量的物质和反物质。但这似乎没有发生，因为它会导致所有粒子立即湮灭。

　　相反，我们周围有大量的物质，而反物质却很少——即使在太空深处也是如此。这个谜导致了一场大规模的搜索，以发现理论中的缺陷或以其他方式解释失踪的反物质。

　　其中一种方法关注的是重力。也许反物质在重力作用下的表现不同，被拉向与物质相反的方向?如果是这样，我们可能只是在宇宙的一部分，从那里不可能观察到反物质。

　　我们的新研究发表在《自然》杂志上，揭示了反物质在重力影响下的实际行为。

　　对于为什么我们观察到的物质比反物质多这个问题，其他的方法跨越了物理学的许多子领域。这些学科的范围从天体物理学(旨在通过实验观察和预测宇宙中反物质的行为)到高能粒子物理学(研究形成反物质并控制其寿命的过程和基本粒子)。

　　虽然已经观察到一些反物质粒子的寿命与它们的物质粒子相比有轻微的差异，但这些结果仍然远远不能充分解释这种不对称性。

　　反氢——一种由一个反物质电子(正电子)和一个反物质质子(反质子)结合而成的原子——的物理性质预计将与氢原子完全相同。除了具有与氢相同的化学性质，如颜色和能量，我们还期望反氢在引力作用下的行为应该相同场部分。

　　广义相对论中所谓的“弱等效原理”指出，物体在引力场中的运动与它们的组成无关。本质上说，物体的构成不会影响重力对其运动的影响。

　　这一预测已经在各种物质粒子的引力上得到了极高的精度测试，但从未直接在反物质的运动上进行过测试。

　　即使是物质粒子，引力也与其他物理理论不同，因为它还没有与描述反物质的理论统一起来。任何观测到的与反物质引力的差异都可能有助于阐明这两个问题。

　　到目前为止，还没有对反物质的引力运动进行直接测量。研究起来很有挑战性，因为重力是最弱的力。

　　这意味着很难将重力的影响与其他外部影响区分开来。直到最近技术的进步才产生稳定的(长寿命的)、中性的和冷的反物质，测量才变得可行。

　　我们的工作是在欧洲核子研究中心(CERN)的ALPHA-g实验中进行的，该实验室是世界上最大的粒子物理实验室，位于瑞士，旨在通过在一个两米高的垂直陷阱中包含反氢来测试重力的影响。反氢是通过结合其反物质成分在陷阱中产生的:位置和反质子。

　　一些放射性物质很容易产生正电子——我们用的是放射性食盐。然而，为了制造冷反质子，我们必须使用巨大的粒子加速器和欧洲核子研究中心运行的独特减速设备。

　　这两种成分都是带电的，可以作为反物质被单独捕获并储存在一种叫做潘宁陷阱的特殊装置中，这种装置由电场和磁场组成。

　　然而，反原子不受潘宁陷阱的限制，所以我们有一个额外的装置，叫做“磁铁瓶陷阱”，它限制了反原子。这个陷阱是由许多超导磁体产生的磁场产生的。

　　这些操作是为了控制瓶子不同侧面的相对强度。值得注意的是，如果我们削弱瓶子的顶部和底部，原子将能够在重力的影响下离开陷阱。

　　我们通过检测反原子在陷阱中与周围物质粒子碰撞时产生的反物质湮灭，来计算有多少反原子向上和向下逃逸。通过将这些结果与正常氢原子中这一过程的详细计算机模型进行比较，我们能够推断出重力对反氢原子的影响。

　　我们的结果是ALPHA-g实验的第一个结果，也是第一个直接测量反物质在引力场中的运动的结果。他们表明，在实验的不确定范围内，反氢引力与氢引力相同，它是向下而不是上升的。

　　这意味着我们的研究已经从经验上排除了一些历史理论，包括所谓的“反重力”理论，这些理论认为反物质的引力方向与正常物质的方向完全相反。

　　目前的测量是实验目标的一个重要里程碑。未来的工作ALPHA-g实验将通过更好地表征和控制实验的重要方面，如陷阱和原子冷却系统，提高其精度。

　　仍然有足够的空间来发现新的结果，以帮助解释物质-反物质的不对称性。物理学是用来描述观察到的现实的，世界运行的方式总是会有惊喜。

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