研究证明反物质对引力的反应与物质无异

十七世纪，艾萨克-牛顿在观看了苹果从树上掉落的过程后，提出了他的万有引力理论。几个世纪后，阿尔伯特-爱因斯坦提出了广义相对论，该理论至今仍是对万有引力最成功、最经得起检验的描述。然而，反物质却不为爱因斯坦所知。

1928 年，英国物理学家保罗-狄拉克（Paul Dirac）提出理论，认为每一种粒子都存在相应的反粒子，并预言了正电子（或反电子）的存在。从那时起，关于引力和反物质之间的相互作用就有了很多猜测，有人认为反物质被引力排斥，也有人认为它被引力吸引。

欧洲核子研究中心（CERN）的反氢激光物理装置（ALPHA）合作组织的一项新研究可能已经解决了这一争论，该研究发现反氢原子（氢的反物质对应物）落到地球上的方式与其物质对应物相同。

这项研究的通讯作者杰弗里-杭斯特（Jeffrey Hangst）说："在物理学中，只有通过观察才能真正了解某些东西。这是首次直接观察到引力对反物质运动影响的实验。这是反物质研究中的一个里程碑，由于反物质在宇宙中明显不存在，它仍然让我们感到神秘。"

ALPHA 实验涉及在捕获装置中制造、捕获和研究反氢原子。反氢原子是电中性和稳定的反物质粒子，因此非常适合研究反物质的引力行为。反氢是由反质子和正电子这两种反粒子组合而成的。反质子是一种亚原子粒子，质量与质子相同，但带有负电荷。

ALPHA小组最近建造了一个名为ALPHA-g的垂直仪器，其中的"g"表示当地的重力加速度，对于物质而言，重力加速度为32.2英尺/秒2（9.81米/秒2）。ALPHA-g 可以测量反氢原子与相应物质相遇时的垂直位置--这一过程被称为湮灭--一旦捕获器的磁场关闭，原子就会逃逸。

研究人员每次捕获一组约 100 个反氢原子。然后，他们通过逐渐减小顶部和底部捕获器磁铁中的电流，在 20 秒内缓慢释放原子。根据计算机模拟预测，20% 的原子将从陷阱顶部释放，80% 的原子将从底部释放，这一差异是由重力向下效应造成的。研究人员对七次释放试验的结果进行了平均，发现反原子从顶部和底部流出的比例与模拟结果一致。也就是说，反氢原子的下落方式与氢原子在1克（即正常重力）下的下落方式相同。

利用 ALPHA-g 仪器，研究人员有效地重现了伽利略著名的重力实验。据传说，这位意大利科学家从比萨斜塔顶端投下不同重量的铁球，它们同时落地，这表明重力会使不同质量的物体以相同的加速度下落。

研究人员表示，他们的发现排除了存在排斥性"反引力"的可能性，但目前的研究仅仅标志着对反物质引力性质进行详细、直接研究的开始。

Hangst 说："我们花了 30 年的时间才学会如何制造这种反原子，如何抓住它，以及如何很好地控制它，以至于我们能够以一种让它对引力敏感的方式将它实际投放下去。下一步是尽可能精确地测量加速度。我们想测试物质和反物质是否真的以同样的方式坠落。"

这项研究发表在《自然》杂志上，在下面这段由欧洲核子研究中心制作的视频中，杰弗里-杭斯特解释了ALPHA-g的工作原理、反物质引力实验的原因和结果。