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一项新的实验首次观察到了反物质在引力作用下的下落现象，证实了爱因斯坦的广义相对论在这方面的预言。这项实验也为未来更深入研究反物质和引力现象提供了新的途径。
文 | 陈强
我们都知道，如果我们扔下一个苹果，它会被地球的引力吸引而落下。但是，如果我们扔下一个反苹果呢？
反苹果指的是由反物质构成的苹果，而反物质是由反粒子构成的，如同普通物质是由普通粒子所构成的。例如，一个反质子和一个反电子（正电子）可以组成一个反氢原子，就像一个质子和一个电子可以组成一个氢原子一样。当物质和反物质相遇时，会发生湮灭，并释放出大量的能量。
理论上，反物质在引力的作用下应该表现得跟普通物质一样。也就是说，如果我们扔下一个反苹果，它也会被地球的引力吸引而下落，这个假设是基于爱因斯坦的广义相对论。该理论认为，引力不是一种力，而是由时空弯曲的表现，时空会随着物体的质量和能量而弯曲，并影响其他物体在时空中的运动。因此，引力不依赖于物体的电荷或其他属性，只依赖于其质量和能量。
然而，在现实中，要观察到反物质在引力作用下的行为并不容易。目前，科学家只能在实验中产生少量的反物质粒子，而且它们很不稳定，很容易与普通物质接触并发生湮灭。此外，要测量出引力对反物质粒子的影响也非常困难，因为引力是一种非常弱的作用力，其他干扰因素，如温度、电场、磁场等，很容易掩盖住引力的效应。
正由于这些挑战，在过去，还没有人做过反物质的引力下落实验。但现在这一切都在发生了改变。
利用磁场陷阱做反氢下落实验
最近，欧洲核子研究中心（CERN）的反氢激光物理机构（ALPHA）的科学家成功地进行了反氢原子的引力下落实验，并将研究结果发表在了《自然》（Nature）杂志上。
ALPHA 的科学家首先利用 CERN 的高速粒子对撞机中制造出反质子，然后从一个放射性源中收集正电子。接着，科学家将这些反粒子一起困在真空中，以使它们远离普通物质。反质子和正电子相互吸引，形成中性的反氢原子，这是氢的反物质版本。
在超低温下，反氢原子被一个电磁场驱赶到一个垂直的磁场陷阱中，称为 ALPHA-g。这个磁场陷阱可为反氢原子创造出一个自由落体的环境。在这里，科学家可以系统地释放反氢原子，测量有多少从陷阱底部或顶部逃逸出来并发生湮灭。原子必须处于超低温状态下，仅比绝对零度高一点，因为热量就像电场一样，可以轻松掩盖住引力的效应。
对于普通的氢原子，科学家计算出有 80% 的原子会下落，而 20% 的原子会逃脱引力的掌控，从陷阱的顶部逃逸出去。如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，那么对于反氢原子来说，结果也应该是同样的比例。
事实也确实如此。在实验的误差范围内，科学家没有检测到反氢原子和氢原子之间的引力差异。
ALPHA 的科学家随后进行了进一步的研究。他们通过调整 ALPHA-g 陷阱中的磁力大小，使其与引力相抗或相助，从而推动反氢原子上升或加速下降。在这里，科学家再次检测到反氢原子和氢原子的行为表现完全相同。
该实验有助于解释反物质之谜
根据当前的物理学理论，宇宙大爆炸应该创造出等量的物质和反物质。但如果真是这样的话，那么宇宙应该是空无一物的：所有的物质和反物质都应该彼此湮灭。然而今天的宇宙几乎完全是由普通物质组成的，反物质只是偶尔在放射性衰变或宇宙射线中露个脸。物理学家认为，必须有某种原始的不平衡让普通物质占据了宇宙的主导地位，但具体是怎样和为什么仍然是未解之谜。
一种可能的解释是，在宇宙大爆炸期间，反物质受到引力的排斥作用。但是，如今 ALPHA 的科学家所做的实验，基本上排除了这种可能性。但是，这个实验没有足够的精度来确定地说反物质和普通物质之间在引力方面是否有任何差异，虽然也没有任何物理理论认为存在这种差别。
要揭开真相，就需要提高实验的精确度。ALPHA 的科学家表示，后续实验已经在规划中，并可能在明年初启动。他们计划利用激光来进一步冷却反氢原子，从而大幅提高实验设备对引力效应的灵敏度。当然，如果他们真的能够发现反物质与普通物质之间存在任何差异，那么就有可能揭开更多关于反物质的奥秘。
参考文献：
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http://dx.doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1
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