科学家首次研究反引力

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欧洲核子研究中心（CERN）的研究人员首次尝试了一种新方法，来研究反物质与反引力（antigravity），以期解开宇宙的未解之谜。

图注1：阿尔法实验的反物质腔室，利用磁场将反氢原子与普通物质隔离开来。

    物质粒子是普通物质的“镜像”，带有相反的电性。
    在引力作用下反物质会如何？这还是一个谜。不过，它更有可能是“往上飘”而不是向下落。据《自然•通讯》（Nature Communications）报道，科学家已经向最终答案迈出了一大步。
    反物质承载着物理学中最大的谜团之一。在宇宙刚形成时，应该形成了与普通物质等量的反物质。 当正反两种物质相遇时，他们将双双毁灭，并转变为光能，这个过程称为湮灭（annihilation）。但为什么在我们今天所看到的宇宙中正物质占了绝大多数，而只有很少一部分是反物质？
    这一问题激起了许多探索正反物质差异的研究。例如，在欧洲核子研究中心的底夸克实验组（Cern's LHCb）等地进行的实验就一直在寻找能证明奇特粒子（exotic particles）[译注: 奇特粒子是一些具有独特性质的理论假想粒子，其中最著名的一种称为速子（tachyon），理论假设它比光跑得更快]更倾向于衰变为正物质的证据。最近， 底夸克实验组报告了Bs介子衰变过程存在的细小差异，但这还远不能解释上述物质之谜。

探秘反引力

    正反物质之间最显著的差别很可能是它们与引力之间的相互作用——反物质可能会被正物质所排斥，而不是被吸引。但这一差别一直无法得到检验，直到欧洲核子研究中心阿尔法实验的出现。
    这里的阿尔法（ALPHA）是反氢激光物理装置（Antihydrogen Laser Physics Apparatus）的英文缩写，该设备的用途是制造和俘获反物质"原子"。正如氢原子由一个质子和一个电子构成，反氢原子由质子和电子的反粒子——反质子和正电子构成。实验的关键不只在于制造出反物质，还在于如何在反物质与正物质相遇并湮灭之前，维持足够长的时间以便进行研究。这正是阿尔法实验小组在2010年所做的工作。到2011年，他们宣布可以俘获反氢原子达1000秒之久。

图2注：反氢原子在1000秒后从束缚势阱中被释放的示意图

    现在，实验小组带着反引力这个问题，重新回到了从434个反氢原子得到的数据上。“在整个实验过程中，我们释放反氢原子，并寻找它们的湮灭迹象。”实验小组的发言人杰弗里•汉斯特（Jeffrey Hangst）告诉BBC记者说，“我们找遍整个数据，想看看引力能否影响粒子湮灭的位置——也就是寻找那些在化为齑粉之前下落了一小段时间的原子。”
    小组对反氢原子的运动方向——向上还是向下——进行了统计分析，并给出了反物质原子受引力作用的第一组约束关系。他们得到的最好的约束范围是：反物质原子对引力的敏感度小于正物质的110倍，强度小于正物质的65倍，但引力对反物质的作用方向相反：即反引力方向。简而言之，反物质引力的问题仍然没有得到解决。
    “这一结果虽然并没有多大意思，但这是人们第一次尝试研究反物质在引力作用下的表现。”汉斯特教授说道，“事实上，我们有一台可以处理这个问题的仪器，这才是真正让我们兴奋的，而且我们还知道该怎么把它弄得有趣起来。”
    阿尔法实验的主要任务是研究反氢原子的能级，并找到它与物理学家们再清楚不过的氢原子的不同之处。汉斯特教授说，反引力测量只是这个实验的一个“有趣的插曲”罢了。“研究反物质有许多种可选途径，而这条新途径可谓大有前途。”

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