當蘋果掉落在地上時，我們知道，這是引力在發揮作用。但如果這個蘋果是由反物質構成的，它是否也會掉落在地上？
在一項發表於《自然》雜誌上的新研究中，歐洲核子研究中心（CERN）粒子物理實驗室的ALPHA-g合作組清晰地證明，就像其他所有受到引力作用的物質一樣，反物質在引力作用下也會向下掉落。
奇異的引力測試系統
1915年，愛因斯坦提出了描述引力的全新理論——廣義相對論。在過去的100多年裡，從1919年觀測到光線在經過太陽時會發生偏折到對引力波的直接探測，廣義相對論的那些看似不可能的預言均被一一證實。
儘管廣義相對論如此成功，但當物理學家試圖理解黑洞和宇宙大爆炸時，就會發現我們對引力的理解是不完備的。因此，許多物理學家都希望能在一些奇異的物理系統中探索引力。
愛因斯坦在提出廣義相對論時，並不知道反物質的存在。直到1928年，當狄拉克書寫下著名的狄拉克方程後，才預言了反物質。1932年，物理學家在實驗中發現了正電子（即電子的反粒子）的蹤跡。從那時起，物理學家就對反物質和引力有了諸多的聯想。
根據廣義相對論中的一個重要原理——弱等效原理，所有處於相同引力場中的物體，無論其性質如何，都會經歷相同的加速度。過去的許多實驗都已經表明，引力對反物質的影響和對普通物質是一樣的，但這些實驗都相對微妙，只能間接地證明這一點。物理學家仍然缺乏一個顯而易見的、直接的墜落式實驗來證明這一點。
完美的測試對象
為何進行這樣的實驗會如此困難？根本原因在於，與電力相比，引力實在是太過於微弱了。
引力是自然界中已知四種基本力中最弱的。雖然它支配著整個宇宙的演化，所有的物質從理論上講都受它的影響，但到目前為止，物理學家已經確定對任何帶電粒子（如正電子）來說，都無法通過墜落式的實驗來對其進行直接的引力測量，因為任何可能存在的電場都會比引力更顯著地偏轉粒子。
2011年，物理學家提出，既然用帶電粒子進行這樣的實驗幾乎是不可能的，那麼反氫原子應該是完美的用於探索引力的反物質粒子。
反氫原子是與氫原子對應的反物質，由一個正電子和一個反質子組成，它是電中性的，不會受到電場的影響。雖然反氫原子是最簡單的反原子，但是製造反氫卻一點都不容易。經典高能物理學提供的解決方法是使用粒子加速器——將巨大的動能轉化為可供我們研究的大量亞原子。
目前，CERN是世界上唯一可以製造反氫原子的地方。其實早在2010年時，CERN的ALPHA合作組就已經累計捕獲了大量的反氫原子。2016年，ALPHA合作組在多個國際機構的資助下，開始構建一個新的實驗——ALPHA-g，並於2022年進行了首次測量。
磁罐中的反氫原子
ALPHA-g實驗的研究人員先是製造出了數千個由反氫原子組成的稀薄氣體。他們將這些反原子推入一個3米高的豎井中。豎井周圍環繞著超導電磁線圈，可以創造出一種「磁罐」環境，以防止反物質與周圍物質接觸進而湮滅。
接著，研究人員讓一些較熱的反氫原子逸出，只留下溫度僅比絕對零度高0.5開爾文的反氫原子。如此一來，這些溫度極低的反原子就只能在磁罐中緩慢移動。但即便如此，在如此極低的溫度下，這些反原子也在以平均100米/秒的速度運動，在兩端的強磁場下每秒反彈數百次。
然後，研究人員開始逐漸削弱磁罐兩端的磁場，這就好像是「揭開」了磁罐的頂端和底端的「蓋子」一樣，會導致反原子開始逸出。這時，他們通過使用兩個傳感器，來檢測這些反原子在逃逸時與周圍物質湮滅的情況。由此他們可以計算出從頂部和底部分別有多少反原子逃了出來。
在一般情況下，當任何氣體容器被打開時，容器內的氣體傾向於向各個方向逃逸。但在這種情況下，由於反原子的速度極低，引力的作用會非常明顯，因此大部分反粒子會從底部出來，只有大約四分之一會從頂部出來。接下來，通過將觀測結果與普通氫原子的這一過程進行比較，就能推斷出引力對反氫原子的影響。
ALPHA-g實驗裝置的藝術構想圖，反氫原子被推入了一個「磁罐」裝置中，當磁罐頂部和底部的磁場強度降低時，反氫原子就會逃逸，接觸周圍的物質並湮滅。大部分的湮滅發生在底部，這表明引力在將反氫原子向下拉。動畫中旋轉的磁場線表示磁場對反氫的無形影響。在實際實驗中，磁場是不旋轉的。（圖/Keyi 「Onyx」 Li/U.S. National Science Foundation）
一個里程碑
實驗結果表明，反原子與氫原子經歷了相同的引力。這樣的結果對於大多數物理學家來說並不意外，但能夠直接觀測到這樣的結果卻是物理學家們幾十年來的夢想。
這是ALPHA-g實驗的第一個結果，也是首個直接測量反物質在引力場中的運動的結果。雖然目前的實驗誤差仍然較大，但這一實驗至少決定性地排除了反氫在引力的作用下會向上運動的可能性。
這次的測量是ALPHA-g實驗的一個重要里程碑。未來，ALPHA-g實驗還將通過更好地控制實驗的一些關鍵參數，來提高實驗精度。科學家認為，我們仍然有足夠的空間來發現新的結果，以幫助解釋為什麼我們生活在一個由物質而不是反物質構成的世界之中。
#創作團隊：
撰文：二宗主
排版：雯雯
#參考來源：
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
#圖片來源：
封面圖&首圖：U.S. National Science Foundation