一个用来测试反重力理论的陷阱垂直安装，以方便反氢原子的下落。图片来源：CERN

一项新的实验表明，反物质同普通物质一样，会因重力向下坠落。这一发现没有让许多物理学家感到震惊，但确实给一些不寻常的理论泼了冷水。

“这是杰出人士做的一个美丽的实验。”法国国家科学研究中心（CNRS）的宇宙学家Gabriel Chardin表示，对假设反物质经历反引力的推测理论是一个“打击”，但还不是致命的打击。

根据所谓的等效原理，在引力场中，所有物体都以相同的速度下落，无论它们是由什么组成的。伽利略曾通过将不同材料的球滚下一个小坡道证明了这一原理。爱因斯坦从这个原理出发，推断出重力是随着大质量物体扭曲空间和时间而产生的，这是他1915年广义相对论的基础。然而，直到现在，还没有人测试过等效原理是否适用于物质和反物质。

为了找到答案，物理学家在欧洲粒子物理实验室（CERN）欧洲核子研究中心的反氢激光物理装置（ALPHA）进行了伽利略跌落测试的更新版本。首先，该团队使用电场捕捉粒子碰撞中产生的反质子和反电子。他们诱使这些粒子形成反氢原子，并用围绕电原子构建的磁阱捕获。随后，他们释放了反氢原子，每次试验约100个，看看它们是下落还是上升。

丹麦奥胡斯大学物理学家Jeffrey Hangst是由71人组成的ALPHA团队的负责人，他说，实验的细节要复杂得多。反氢原子温度相对较高、移动速度快，容易飞出高大的圆柱形陷阱的顶部和底部，使重力的影响难以辨别。更重要的是，即使是一个微小的杂散磁场也可能将不成比例的数量发送到陷阱的顶部，从而产生虚假的反重力信号。

为了控制这种影响，ALPHA团队利用捕获反原子的磁场，在反原子释放时将它们轻微地向上或向下推。Hangst说，这项技术“给了我们一个旋钮，让我们可以在同一方向或逆重力方向上转动，并控制结果。”在多次试验中，研究人员改变了额外作用力的方向和强度，并将从陷阱底部掉出的原子比例与详细模拟的结果进行了比较。研究人员在《自然》报告说，这些数据与反氢分子经历普通重力的模拟结果相比，与经历反重力或完全没有重力的模拟更吻合。

从数量上讲，该实验表明，反物质受到的引力是普通物质引力的75%，或者说是20%，这两者在统计上是一致的。Hangst说，99.9%的物理学家会预测到这个结果。

在2012年，Chardin和一位同事假设宇宙可能包含等量的物质和反物质，后者受到反重力的影响。这个想法似乎是不可能的，因为天文学家还没有观察到反物质星系或物质和反物质的爆炸相互湮灭。但是反重力避免了这个问题，Chardin说，它还可以解决宇宙学中两个最大的难题：神秘的暗物质，其引力使星系保持完整，以及更奇怪的暗能量，它正在拉伸空间并加速宇宙的膨胀。

在相反的力的作用下，物质和反物质会分离。物质会聚集形成星系。反物质会在星系之间尽可能薄地扩散，就像暗能量一样。新的结果似乎推翻了Chardin的模型，因为它排除了反重力与重力相等的可能性。然而，Chardin指出，他的理论真正需要的是受到一定排斥的反物质，而且结果不够精确，无法排除这种可能性。

Kostelecky指出，提高像ALPHA这样的实验的精度很重要，“我怀疑这个实验只是研究计划的第一步。”事实上，Hangst说，ALPHA团队已经在努力提高测量精度，例如，将反氢原子冷却到绝对零度的几分之一以内，并在释放它们之前减慢速度。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1