在著名作家丹·布朗（Dan Brown）的小说《天使与魔鬼》中，欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家在实验室中制造出了反物质。当这些微量反物质与物质相遇时，释放出的能量会彻底毁灭梵蒂冈。
图/电影《天使与魔鬼》中储存在特殊装置中的反物质
反物质与物质相遇会发生湮灭，释放出能量，但反物质并非是什么超级炸弹。1928年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）提出了狄拉克方程，预言了反物质的存在。在他的理论中，存在一种除电性和电子相反外其他所有性质都和电子相同的粒子，这种粒子后来被命名为正电子。1932年，美国物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）在实验中发现了正电子，他也因此获得了1936年诺贝尔物理学奖。此后，物理学家又陆续在实验室中制造出反质子、反氢原子等反物质。
《天使与魔鬼》是一部虚构的作品，但物理学家正在欧洲核子研究中心制造反物质却是事实。他们正在对这些反物质进行研究，期望破解物理学中的一些重要的谜团，其中之一就是：反物质会和物质一样，在引力的作用下下落吗？
意料之中的结果
2023年9月27日，欧洲核子研究中心（CERN）的ALPHA合作组在《自然》（Nature）上发表了一篇论文。他们宣布在实验中发现，反氢原子在引力作用下会自由下落，这和物质在引力作用下的运动方式相同。
ALPHA合作组发言人、论文通讯作者之一、丹麦奥胡斯大学物理学教授杰弗里·汉斯特（Jeffrey Hangst）指出：“这是首次在实验中直接观察到引力如何作用在反物质上，在反物质研究的历史上是一个里程碑。”
ALPHA合作组使用ALPHA（Antihydrogen Laser Physics Apparatus，即反氢激光物理仪器）来研究反物质。在此次探究引力作用效果的实验中，他们选择的实验对象是反氢原子。
反氢原子是氢原子对应的反物质，由一个正电子环绕一个反质子组成。它既是最简单的反物质原子，又是电中性且稳定的反物质粒子，不会受到电场力的干扰，因此是研究反物质的引力行为的最佳选择。
实验中，研究人员首先分别获得反质子和正电子，并把这两种反物质粒子“组装”成反氢原子。随后，他们把反氢原子推到一个3米高的竖井中，这个装置被称作ALPHA-g，其中“g”表示重力加速度。竖井的周围环绕着超导电磁线圈，从而避免反物质与物质接触进而发生湮灭。
图/工作人员正在安装ALPHA-g仪器（来源：欧洲核子研究中心）
研究人员一次在竖井里困住大约100个反氢原子，然后在20多秒的时间里，他们通过逐渐减小竖井顶部和底部磁铁中的电流从而减小磁场的方式把反氢原子释放出来。当反氢原子逃逸出来并发生湮灭的时候，研究人员使用两台传感器来测量湮灭发生的位置。
此时，反氢原子的温度极低，只比绝对零度高0.5℃。在这样的低温下，反氢原子以很慢的速度运动，地球施加的引力能产生足够明显的作用效果。物理学家认为，如果反物质（反氢原子）受到的引力作用同物质（氢原子）相同的话，那么大部分反氢原子应该从底部逸出，少部分会从顶部逸出。计算机模拟显示，对于物质来说，被释放后，会有大约20%的原子从竖井的顶部逸出，而大约80%的原子从竖井的底部逸出。
图/反氢原子（蓝色小球）在竖井里下落，同物质相遇发生了湮灭（来源：美国国家科学基金会）
ALPHA合作组在这项研究中进行了7次实验，通过把7次实验的结果进行平均，他们发现反氢原子从顶部和底部逸出竖井的比例与模拟的结果一致。经过计算，他们给出的反氢原子受到的重力加速度的值为0.75 ± 0.29 g，g是当地的重力加速度。因此，他们得出结论：在目前的测量精度范围内，反氢原子的加速，与由地球引力引起的物质的加速是一致的。
设想一下，如果我们进入一个由反物质组成的世界，即便能够避免发生糟糕的湮灭，也要注意小心头顶，不要被掉下的反物质砸到。
ALPHA合作组此次公布的结果其实是一个意料之中的发现，因为大部分物理学家都相信，反物质和物质受到的引力作用不会有什么不同。那么，他们的依据是什么？为什么还要进行这项实验呢？
仍待破解的难题
1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，建立了迄今为止最成功的引力理论。那个时候，爱因斯坦还不知道反物质的存在，因此广义相对论是一个针对物质的理论。但是，在广义相对论中，相同质量的物体受到的引力相同，而与它们的内在结构或性质无关，这里并没有对引力的作用对象加以限制。因此，物理学家认为，物质和反物质受到的引力作用应该是相同的。
过去的一些实验也表明，引力对物质和反物质的作用效果相同，但这些实验都只能间接地证明这一点。数十年来，物理学家都希望通过直接实验来研究这个问题。
与此同时，还有少数物理学家支持反重力理论，他们认为反物质在引力作用下不是向下掉落，而是反方向向上飞起。这个理论的吸引力在于，如果真的成立，将可以帮助解答当今物理学中最大的谜团之一：正反物质不对称之谜。
根据大爆炸理论，宇宙大爆炸发生时应该产生同等数量的物质和反物质，但是这些物质和反物质却没有发生湮灭而全部转化成能量，而且我们今天生活在一个几乎完全由物质组成的宇宙中，这就是正反物质不对称。物理学家虽然提出了各种猜想，但一直没有找到能够真正解释这种不对称的理论。
如果反重力理论成立的话，那么在宇宙形成之初，物质和反物质在引力作用下就会向着相反的方向运动；经过138亿年的演化，我们今日所处的宇宙中就不会探测到反物质的存在，由此可以破解正反物质不对称之谜。
虽然ALPHA合作组此次完成的实验还存在一定的误差，但是他们认为已经可以排除一种可能，那就是引力对反物质的作用效果是排斥的，也就是说反重力理论不可能成立。他们计划在2024年开展进一步实验，把精度提高到现在的100倍。
如果物理学家在实验中直接观察到反物质在引力作用下的运动和物质存在差异，就将在物理学中引发一场颠覆性的革命。不过，以实验验证业已存在的猜想，也是物理学研究中重要的组成部分之一。因此，这次实验同样意义重大，为接下来研究反物质与引力的实验打下了基础。解开正反物质不对称之谜的钥匙，也许就藏在未来某个以此为开端的实验中。
本文来自微信公众号：墨子沙龙（ID：MiciusSalon），作者：鞠强