科学家们首次观察到反物质粒子在引力作用下坠落——这种现象在理论上早已被提出，但此前从未被观察到。
结果表明，反物质与引力的相互作用方式与普通物质相同。这与阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论中提出的观点相符——广义相对论是我们拥有的关于引力的最佳理论。然而，收集足够的证据来证明这一点，花费了大约三十年的精心准备，以构建必要的真实世界实验。
“在观察到之前，你真的什么都不知道，”杰弗里·汉斯特说，他是位于日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）的 ALPHA（反氢激光物理装置）实验的发言人。他补充说，对于那些涉及引力和反物质相互作用的领域来说尤其如此，这两个领域都是理论物理学中最令人捉摸不定的主题。“如果可以的话，这是你道德上有义务去测量的东西，”汉斯特说。
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爱因斯坦的广义相对论在量子尺度上失效，这表明它是不完整的。然而，研究人员在他们跨越几代人的寻求构建更优越的量子引力理论的努力中仍然感到困惑。反物质正处于宇宙中最大的谜团之一的核心。
反物质与普通物质相同，但电荷相反。例如，带负电的电子的反物质对应物是正电子，它具有相同的质量和自旋，但带正电而不是负电。当反物质粒子及其物质对应物相遇时，它们会相互湮灭。根据物理学的标准模型，宇宙大爆炸应该产生了等量的物质和反物质。然而，如果真是这样，那么现在应该什么都不存在：所有的反物质和物质粒子应该已经相互湮灭了。相反，今天的宇宙几乎完全是物质构成的，反物质只在放射性衰变或宇宙射线碰撞中罕见地出现。物理学家认为，一定存在某种原始的不平衡，使得物质在宇宙中占据主导地位，但其原因和方式仍然是未解之谜。
“任何你能用反物质做的事情，都必须去做，看看它有什么问题，”汉斯特说，“如果有的话。”
反物质在物质存在下的挥发性为研究它带来了难题。ALPHA 合作的科学家们首先在“反物质工厂”——欧洲核子研究中心一个名为反质子减速器的高速粒子对撞机中制造带负电的反质子（质子的反物质版本）。然后，他们从放射源中收集带正电的正电子，将这些反物质粒子一起捕获在真空中，以屏蔽它们免受正常物质的影响。反质子和正电子相互吸引，形成中性带电的反氢原子，即氢的反物质版本。中性电荷很重要，因为引力是一种弱力。试图测量引力对带电粒子的拉力是徒劳的，因为实际上不可能消除会扭曲结果的环境电场。
在超低温下，反氢原子通过电磁场被引导到一个称为 ALPHA-g 的垂直阱中，这有点像原子版本的室内跳伞隧道。在这里，研究人员可以系统地释放反氢分子，测量有多少分子掉落并从阱的底部逸出后湮灭，以及有多少分子从顶部逸出。原子必须是冷的——略高于绝对零度——因为热量会上升。正如电场可以压倒微弱的引力一样，一个孤独原子的热量也可以。
对于普通氢，研究人员计算出 80% 的原子应该会掉落，而 20% 的原子应该会逃脱引力的束缚，从阱的顶部逸出。如果爱因斯坦是正确的，即反物质和物质以相同的方式与引力相互作用，那么反氢也应该保持相同的比例。
事实确实如此。在实验的误差范围内，研究人员无法检测到反氢和氢之间存在引力差异。
“他们首次测量到，反氢像氢一样向下坠落，”苏黎世联邦理工学院的物理学家安娜·索特说，她没有参与 ALPHA 合作，但审阅了这篇新论文，并撰写了一篇随附的文章。这项研究和索特的文章今天都发表在《自然》杂志上。
然后，ALPHA 团队通过将 ALPHA-g 阱中的磁力调整到不同的强度，进一步推进了实验，这些强度将对抗引力或与引力协同作用，以向上推动反氢原子或迫使它们更快地向下运动。在这里，研究人员再次看到反物质粒子的行为方式与普通物质相同。
索特说，该实验的精度不足以确定反物质与物质的引力之间绝对没有差异，尽管也没有理论理由认为存在这种差异。她说，进行更精确的进一步实验非常重要。
汉斯特说，这些后续工作已经在计划中，最早可能在明年开始。一个直接的步骤是使用激光冷却使反氢原子更冷，从而相应地提高 ALPHA 对引力效应的灵敏度。“有很多工作要做，”他说，“但我们正在顺利进行。”