實驗表明，反物質會像普通物質一樣墜落

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一個用來測試反重力理論的陷阱垂直安裝，以方便反氫原子的下落。圖片來源：CERN

一項新的實驗表明，反物質同普通物質一樣，會因重力向下墜落。這一發現沒有讓許多物理學家感到震驚，但確實給一些不尋常的理論潑了冷水。

“這是杰出人士做的一個美麗的實驗。”法國國家科學研究中心（CNRS）的宇宙學家Gabriel Chardin表示，對假設反物質經歷反引力的推測理論是一個“打擊”，但還不是致命的打擊。

根據所謂的等效原理，在引力場中，所有物體都以相同的速度下落，無論它們是由什么組成的。伽利略曾通過將不同材料的球滾下一個小坡道證明了這一原理。愛因斯坦從這個原理出發，推斷出重力是隨著大質量物體扭曲空間和時間而產生的，這是他1915年廣義相對論的基礎。然而，直到現在，還沒有人測試過等效原理是否適用于物質和反物質。

為了找到答案，物理學家在歐洲粒子物理實驗室（CERN）歐洲核子研究中心的反氫激光物理裝置（ALPHA）進行了伽利略跌落測試的更新版本。首先，該團隊使用電場捕捉粒子碰撞中產生的反質子和反電子。他們誘使這些粒子形成反氫原子，并用圍繞電原子構建的磁阱捕獲。隨后，他們釋放了反氫原子，每次試驗約100個，看看它們是下落還是上升。

丹麥奧胡斯大學物理學家Jeffrey Hangst是由71人組成的ALPHA團隊的負責人，他說，實驗的細節要復雜得多。反氫原子溫度相對較高、移動速度快，容易飛出高大的圓柱形陷阱的頂部和底部，使重力的影響難以辨別。更重要的是，即使是一個微小的雜散磁場也可能將不成比例的數量發送到陷阱的頂部，從而產生虛假的反重力信號。

為了控制這種影響，ALPHA團隊利用捕獲反原子的磁場，在反原子釋放時將它們輕微地向上或向下推。Hangst說，這項技術“給了我們一個旋鈕，讓我們可以在同一方向或逆重力方向上轉動，并控制結果。”在多次試驗中，研究人員改變了額外作用力的方向和強度，并將從陷阱底部掉出的原子比例與詳細模擬的結果進行了比較。研究人員在《自然》報告說，這些數據與反氫分子經歷普通重力的模擬結果相比，與經歷反重力或完全沒有重力的模擬更吻合。

從數量上講，該實驗表明，反物質受到的引力是普通物質引力的75%，或者說是20%，這兩者在統計上是一致的。Hangst說，99.9%的物理學家會預測到這個結果。

在2012年，Chardin和一位同事假設宇宙可能包含等量的物質和反物質，后者受到反重力的影響。這個想法似乎是不可能的，因為天文學家還沒有觀察到反物質星系或物質和反物質的爆炸相互湮滅。但是反重力避免了這個問題，Chardin說，它還可以解決宇宙學中兩個最大的難題：神秘的暗物質，其引力使星系保持完整，以及更奇怪的暗能量，它正在拉伸空間并加速宇宙的膨脹。

在相反的力的作用下，物質和反物質會分離。物質會聚集形成星系。反物質會在星系之間盡可能薄地擴散，就像暗能量一樣。新的結果似乎推翻了Chardin的模型，因為它排除了反重力與重力相等的可能性。然而，Chardin指出，他的理論真正需要的是受到一定排斥的反物質，而且結果不夠精確，無法排除這種可能性。

Kostelecky指出，提高像ALPHA這樣的實驗的精度很重要，“我懷疑這個實驗只是研究計劃的第一步。”事實上，Hangst說，ALPHA團隊已經在努力提高測量精度，例如，將反氫原子冷卻到絕對零度的幾分之一以內，并在釋放它們之前減慢速度。