反物质会像普通物质一样下落吗？ 爱因斯坦又又又对了！

如果你手上有一个苹果，松开它，它会掉在地上。我们知道这是因为地球的引力在发挥作用。但如果，这个苹果是由反物质构成的呢？它是会向下掉落还是向上移动？2023年9月27日，一项发表于《自然》杂志的研究告诉了我们答案：它会下落。
这是怎么回事呢？让我们从一个宇宙大谜题说起。

一个宇宙学谜题

我们知道，无论是你、我、地球，或是恒星，都是由微小的物质粒子构成的。而每个粒子实际上都有其对应的反粒子，比如电子的反粒子叫正电子——它们完全一样，只是拥有相反的电荷。当粒子与反粒子相遇时，它们会湮灭化为能量。

这个事实的背后实际上隐藏着一个宇宙大谜题。粒子物理学的标准模型是科学史上最成功的理论之一，它预测，在宇宙诞生之初，应该产生了相同数量的物质和反物质。但如果真是如此，那么物质和反物质应该全部湮灭，也就意味着今天的宇宙只会剩下能量，根本就会形成我们所熟悉的恒星、行星以及生命。但显然，这样的事情没有发生。

为什么我们生活在一个充满物质而不是反物质的世界？其中一个解释是，反物质被普通物质的引力排斥，导致它们被发射到宇宙中我们看不到的遥远部分。因此，物理学家需要测试，在引力的作用下，物质和反物质是不是真的有不同的表现，比如在地球引力作用下，反物质并不会下落，而是向上？

完美的测试对象

目前，描述引力最好的理论，仍然是爱因斯坦在1915年提出的广义相对论。弱等效原理是广义相对论的一个非常重要的原理，它说的是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。

然而，想要进行这样一个实验是非常困难的，这是因为与电磁力相比，引力实在是太过于微弱了。物理学家已经确定对任何带电粒子来说，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影响粒子的轨迹。

既然带电粒子不行，那我们可不可以用电中性的粒子来进行实验呢？物理学家因此将目光转向了反氢原子。我们知道氢原子是宇宙中最简单的原子，它由一个质子和电子构成。而作为氢原子的对应反粒子，反氢原子则是由反质子和正电子组成的。反氢原子是电中性的，所以不会受到电场的影响。

氢原子与反氢原子。（图/原理）

精妙的实验

目前，欧洲核子研究中心（CERN）是世界上唯一可以制造反氢原子的地方。这次的新研究是在CERN的一个被称为ALPHA-g的实验装置中进行的。

ALPHA团队通过结合反质子和正电子来产生反氢原子，并将这些带有轻微磁性的中性反氢原子被限制在ALPHA-g装置的磁阱中，以防止它们与物质接触并湮灭。接着，通过降低磁阱顶部和底部的磁场强度，这些反氢原子会逐渐逸出。这时，研究人员会通过上下两个传感器，来检测这些反氢原子在逃逸时与周围物质的湮灭情况。由此他们可以计算出从顶部和底部分别有多少反氢原子逃了出去。

在一般温度下，当任何气体容器被打开时，由于气体分子的热运动效应，容器内的气体分子倾向于向各个方向逃逸。但在低温和磁场的约束下，由于反氢原子的速度极低，引力的作用也会变得明显。研究人员对实验进行了十几次重复，每次都改变磁阱顶部和底部的磁场强度，以排除可能的错误。他们观察到，当减弱的磁场在顶部和底部精准平衡时，大约80%的反氢原子在磁阱的底部湮灭——这个结果与普通氢原子在相同条件下的行为一致。这表明反氢原子与氢原子一样，都在引力的作用下下落。

ALPHA-g实验的示意图，可以看出在引力的作用下，大部分湮灭都发生在底部。（图/U.S. National Science Foundation）
这是ALPHA-g实验的第一个结果，它再次验证了广义相对论的弱等效原理，同时也排除了反物质会被引力排斥的可能性。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。希望有一天，更精确的实验能够揭示一些超出预期的事情，从而告诉我们，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。

参考链接：

Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06527-1

本文为科普中国·星空计划扶持作品

团队：原理

审核：罗会仟 中科院物理所研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司