一个用来测试反重力理论的陷阱。图片来源：CERN

本报讯 一项新的实验表明，同普通物质一样，反物质也会因重力而下坠。这一发现并没有让物理学家感到震惊，但确实给一些不寻常的理论泼了冷水。

“这是科学家的一个美丽实验。”法国国家科学研究中心（CNRS）宇宙学家Gabriel Chardin表示，它对假设反物质经历反引力的推测性理论是一个“打击”，但还不是致命的创伤。

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。爱因斯坦则从这个原理出发，推断出引力是由大质量物体扭曲空间和时间产生的，这是广义相对论的基础。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）上进行了升级版的伽利略跌落实验。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，并用围绕带电粒子的磁阱捕获了反氢原子。随后，他们释放反氢原子——每次实验约释放100个，然后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，容易从圆柱形陷阱的顶部和底部飞出，从而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反氢原子发送到陷阱的顶部，从而产生虚假的反重力信号。

为了控制这种影响，ALPHA团队利用捕获反氢原子的磁场，在释放它们时将其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施加额外的力，并控制结果”。在多次实验中，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模拟结果进行了比较。研究人员日前在《自然》报告说，与经历反重力或完全没有重力的模拟相比，这些数据与反氢原子经历正常重力的模拟结果更加吻合。

从数量上讲，该实验表明，反物质受到的引力是普通物质的75%，误差为20%——这两者在统计上是一致的。Hangst说，99.9%的物理学家都能预测到这个结果。

2012年，Chardin和一位同事曾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膨胀。

在相反力的作用下，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稀薄地扩散，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，而这个结果还不够精确，无法排除这种可能性。

美国印第安纳大学伯明顿分校的理论物理学家Alan Kostelecky指出，提高像ALPHA这样的团队的实验精度很重要。“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。

（李木子）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1