宇宙最古老的谜团之一也是最令人费解的谜团之一。在大约 138 亿年前的宇宙大爆炸期间，物质和反物质——人们认为它们是相同的，只是后者具有与前者相反的电荷——应该以相等的量被创造出来。当这两者在今天的宇宙中相互接触时，它们会在一阵光和更奇异的基本粒子中湮灭。那么，为什么我们生活在一个物质主导的宇宙中，而不是一个只充满了来自时间黎明时期的全吞噬湮灭的短暂回声的嚎叫虚空中呢？
为了找出答案，粒子物理学家一直在忙于测试物质和反物质的特性，看看它们如何比较。对于物质，这个过程相对简单。但对于反物质，这变得极其更具挑战性。鉴于反物质在与物质相互作用时会立即被摧毁，因此很难保持其完整性以进行详细研究。然而，在过去的十年中，实验学家在这些研究中取得了巨大进展，他们在真空中隔离了越来越多的反物质，时间越来越长，逐步实现了新的研究突破。
最新的发现来自日内瓦附近 CERN 的 ALPHA 实验的科学家，他们在《自然》杂志上报告说，他们能够在真空中悬浮反物质等效物氢原子——反氢，长达数百小时。这样做使他们能够观察到，在反氢中——它由一个反质子和一个正电子（电子的反粒子）组成——能量水平的跃迁，即所谓的兰姆位移，与在氢中观察到的相同。这种对称性排除了物质-反物质差异的可能答案之一。
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“我们过去已经做过其他测量，但这一次从根本上不同。我们正在研究反氢的光谱，”丹麦奥胡斯大学的研究合著者杰弗里·汉斯特说。“没有意外的结果，但我们现在能够研究反物质中的这些东西对于我们以及我们未来的工作来说确实意义重大。当我们寻找物质和反物质物理学之间的完全一致性时，我们必须检查所有方面，而这是一个非常重要方面。”
兰姆位移最初是由美国物理学家威利斯·E·兰姆，小，于 1947 年观察到的——这项测量后来为他赢得了诺贝尔奖。电子围绕原子核运行，但它们可以在轨道之间进行量子跃迁，对应于某些能级，从而导致光的发射或吸收。兰姆表明，氢的两个能级 2S 和 2P 表现出可检测到的变化或位移，这违背了一些理论预测。兰姆位移的发现归因于真空中发射和重新吸收的虚粒子的存在，为量子理论的无数重大发展做出了贡献。“ALPHA 合作论文的结果是，氢和反氢的兰姆位移似乎是相同的，”CERN 的斯特凡·乌尔默说，他没有参与最新的研究。
物质和反物质的行为对称性也受称为电荷-宇称-时间（CPT）对称性的东西支配，它基本上指出，宇宙中所有的物理定律在任何变换下都保持不变（除了少数定义明确的特殊情况）。为了解释物质-反物质问题，CPT 理论中的某些东西——以及因此在物理学的标准模型中，即除引力外所有已知亚原子粒子和基本力的框架——一定是错误的。通过观察物质和反物质中的兰姆位移，物理学家希望缩小“某些东西”的范围。
约翰内斯·古腾堡大学美因茨分校的兰多夫·波尔指出，这些实验“限制了新物理学或 CPT 违反的可能影响”，他也未参与这项研究。“你发现的任何差异都是对标准模型的明显违反，”他说。“因此，如果你测量到氢和反氢之间存在差异，那么标准模型就死了。我们对物理学的理解是不完整的，我们必须找到新的东西。这种情况尚未发生，但比较物质和反物质是测试标准模型基础的一种非常简洁的方式。”
德国马克斯·普朗克量子光学研究所的托马斯·乌德姆说，ALPHA 的最新发现“令人兴奋”，并指出早期、较低能量的实验导致反粒子加速到光速——对于试图诱导它们形成原子的尝试来说，这是一个麻烦的细节。“你对它们无能为力，除了探测到它们在那里，”他说。相比之下，ALPHA 实验中使用的更高能量足以减慢反质子和正电子的速度，从而使粒子形成反氢原子，以便进行更深入的研究。
尽管尚未出现违反已知物理定律的情况，但 ALPHA 实验的这些结果开启了物质-反物质对称性研究的新篇章，有望为宇宙最令人困惑的问题之一提供长期寻求的答案。“有时我会掐自己一下，因为当我开始时，我们根本没有任何反氢。很多人都说我们永远无法制造出来，”汉斯特说。“现在我们已经存储了数千个原子。我们能够做到这一点真是一场革命。”