当苹果掉落在地上时，我们知道，这是引力在发挥作用。但如果这个苹果是由反物质构成的，它是否也会掉落在地上？
在一项发表于《自然》杂志上的新研究中，欧洲核子研究中心（CERN）粒子物理实验室的ALPHA-g合作组清晰地证明，就像其他所有受到引力作用的物质一样，反物质在引力作用下也会向下掉落。
奇异的引力测试系统
1915年，爱因斯坦提出了描述引力的全新理论——广义相对论。在过去的100多年里，从1919年观测到光线在经过太阳时会发生偏折到对引力波的直接探测，广义相对论的那些看似不可能的预言均被一一证实。
尽管广义相对论如此成功，但当物理学家试图理解黑洞和宇宙大爆炸时，就会发现我们对引力的理解是不完备的。因此，许多物理学家都希望能在一些奇异的物理系统中探索引力。
爱因斯坦在提出广义相对论时，并不知道反物质的存在。直到1928年，当狄拉克书写下著名的狄拉克方程后，才预言了反物质。1932年，物理学家在实验中发现了正电子（即电子的反粒子）的踪迹。从那时起，物理学家就对反物质和引力有了诸多的联想。
根据广义相对论中的一个重要原理——弱等效原理，所有处于相同引力场中的物体，无论其性质如何，都会经历相同的加速度。过去的许多实验都已经表明，引力对反物质的影响和对普通物质是一样的，但这些实验都相对微妙，只能间接地证明这一点。物理学家仍然缺乏一个显而易见的、直接的坠落式实验来证明这一点。
完美的测试对象
为何进行这样的实验会如此困难？根本原因在于，与电力相比，引力实在是太过于微弱了。
引力是自然界中已知四种基本力中最弱的。虽然它支配着整个宇宙的演化，所有的物质从理论上讲都受它的影响，但到目前为止，物理学家已经确定对任何带电粒子（如正电子）来说，都无法通过坠落式的实验来对其进行直接的引力测量，因为任何可能存在的电场都会比引力更显著地偏转粒子。
2011年，物理学家提出，既然用带电粒子进行这样的实验几乎是不可能的，那么反氢原子应该是完美的用于探索引力的反物质粒子。
反氢原子是与氢原子对应的反物质，由一个正电子和一个反质子组成，它是电中性的，不会受到电场的影响。虽然反氢原子是最简单的反原子，但是制造反氢却一点都不容易。经典高能物理学提供的解决方法是使用粒子加速器——将巨大的动能转化为可供我们研究的大量亚原子。
目前，CERN是世界上唯一可以制造反氢原子的地方。其实早在2010年时，CERN的ALPHA合作组就已经累计捕获了大量的反氢原子。2016年，ALPHA合作组在多个国际机构的资助下，开始构建一个新的实验——ALPHA-g，并于2022年进行了首次测量。
磁罐中的反氢原子
ALPHA-g实验的研究人员先是制造出了数千个由反氢原子组成的稀薄气体。他们将这些反原子推入一个3米高的竖井中。竖井周围环绕着超导电磁线圈，可以创造出一种“磁罐”环境，以防止反物质与周围物质接触进而湮灭。
接着，研究人员让一些较热的反氢原子逸出，只留下温度仅比绝对零度高0.5开尔文的反氢原子。如此一来，这些温度极低的反原子就只能在磁罐中缓慢移动。但即便如此，在如此极低的温度下，这些反原子也在以平均100米/秒的速度运动，在两端的强磁场下每秒反弹数百次。
然后，研究人员开始逐渐削弱磁罐两端的磁场，这就好像是“揭开”了磁罐的顶端和底端的“盖子”一样，会导致反原子开始逸出。这时，他们通过使用两个传感器，来检测这些反原子在逃逸时与周围物质湮灭的情况。由此他们可以计算出从顶部和底部分别有多少反原子逃了出来。
在一般情况下，当任何气体容器被打开时，容器内的气体倾向于向各个方向逃逸。但在这种情况下，由于反原子的速度极低，引力的作用会非常明显，因此大部分反粒子会从底部出来，只有大约四分之一会从顶部出来。接下来，通过将观测结果与普通氢原子的这一过程进行比较，就能推断出引力对反氢原子的影响。
ALPHA-g实验装置的艺术构想图，反氢原子被推入了一个“磁罐”装置中，当磁罐顶部和底部的磁场强度降低时，反氢原子就会逃逸，接触周围的物质并湮灭。大部分的湮灭发生在底部，这表明引力在将反氢原子向下拉。动画中旋转的磁场线表示磁场对反氢的无形影响。在实际实验中，磁场是不旋转的。（图/Keyi “Onyx” Li/U.S. National Science Foundation）
一个里程碑
实验结果表明，反原子与氢原子经历了相同的引力。这样的结果对于大多数物理学家来说并不意外，但能够直接观测到这样的结果却是物理学家们几十年来的梦想。
这是ALPHA-g实验的第一个结果，也是首个直接测量反物质在引力场中的运动的结果。虽然目前的实验误差仍然较大，但这一实验至少决定性地排除了反氢在引力的作用下会向上运动的可能性。
这次的测量是ALPHA-g实验的一个重要里程碑。未来，ALPHA-g实验还将通过更好地控制实验的一些关键参数，来提高实验精度。科学家认为，我们仍然有足够的空间来发现新的结果，以帮助解释为什么我们生活在一个由物质而不是反物质构成的世界之中。
#创作团队：
撰文：二宗主
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06527-1
https://news.berkeley.edu/2023/09/27/antimatter-embraces-earth-falling-downward-like-normal-matter
https://theconversation.com/antimatter-we-cracked-how-gravity-affects-it-heres-what-it-means-for-our-understanding-of-the-universe-214285
https://www.nature.com/articles/d41586-023-03043-0
#图片来源：
封面图&首图：U.S. National Science Foundation
