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ALPHA实验的结果证实，物质和反物质对引力的反应方式相似。

加州大学伯克利分校的博士后丹妮尔·霍奇金森（Danielle Hodgkinson）怀着谨慎的好奇心，仔细盯着大量数据涌入ALPHA实验控制室的屏幕。ALPHA团队正在努力观测一种此前从未被观察到的效应。

“这太令人兴奋了?！被羝娼鹕档溃骸暗谖颐堑贸鲎钪战峁?，还需要进行广泛的数据分析?！?br />

经过多个月的分析和交叉对比检查，霍奇金森和同事们确认了他们最初的想法——第一次证明了反物质在掉落时会向下坠落。他们的研究结果最近发表在《自然》杂志上。

反物质与物质完全相同，只是它的某些性质发生了翻转。例如，电子带负电，但它们的反物质对应物正电子则带正电。

物质和反物质相遇就会湮灭，这给物理学家们带来了一个难题。理论模型预测，在大爆炸后的瞬间，物质和反物质的数量应该相等。那它们为什么不完全对消湮灭呢？我们怎么还在这里？

“这是物理学中悬而未决的大问题之一?！被羝娼鹕担骸拔颐遣幻靼孜裁次镏屎头次镏试谟钪娴脑缙诿挥袖蚊?。相反，我们能够生活在一个看似物质主导的宇宙中并思考这些事情?！?br />

欧洲核子研究中心反物质工厂的ALPHA实验，寻找物质和反物质之间的微小差异，这可以解释早期宇宙中物质是如何战胜反物质的。到目前为止，物质和反物质在所有领域似乎要么相等，要么镜像?！胺次镏适俏镏实囊恢址浅＞咛宓姆从?。”塔尔普说：“有些事情是相反的，有些事情是一样的。”

但有一个尚未完全研究的领域是反物质如何与引力相互作用。霍奇金森说：“行为上的差异将是一个完全出乎意料的结果，并将改变我们对物理学的理解?！?br />

在很长一段时间里，这几乎是一项不可能的测量。没有好的测试粒子。”霍奇金森表示：“引力比电力弱得多，所以有必要用电中性粒子进行测试。”

电中性反氢是理想的候选者。但产生（和捕获）反氢也有其自身的困难。这就是ALPHA表现出色的地方。ALPHA最初的任务是利用欧洲核子研究中心反物质减速器中的反质子产生并捕获反氢原子。加州大学伯克利分校教授法扬斯说：“欧洲核子研究中心是世界上唯一一个提供低能量反质子的地方。”

ALPHA通过将两个非常冷的粒子等离子体——一个是正电子，一个是反质子，限制在M形电磁阱中来产生反氢。然后，它们慢慢地将“M”的拱合在一起，形成反氢。

电场对于像反氢这样的电中性粒子是看不见的。但反氢原子的自旋正电子使其像一个微小的条形磁铁，仍然对磁场敏感。

为了捕获反氢，ALPHA上的科学家们创造了一个令人难以置信的强磁场?！罢饩拖褚桓龃判栽「??！比账档馈?br />

如果反氢原子足够冷（因此足够慢），它们可以锁定在磁性浴缸的磁力线上，并在陷阱内部滑行而不会逃逸。

一旦ALPHA掌握了产生和捕获反氢的过程，那么问题来了：我们可以测量出什么性质的结果？伯克利理论家乔纳森-沃特尔（Jonathan Wurtele）有一个想法。“在过去六个月的时间里，乔纳森每周都会来我的办公室说，‘让我们做引力试验吧?！狈ㄑ锼菇驳溃骸拔一岣嫠咚獠豢赡?，走开?！?br />

最后，乔纳森说服法扬斯，而法扬斯说服了他在ALPHA上的合作者放手一搏。马奎特大学副教授塔尔普说：“这是比萨斜塔第一次用反物质进行实验?！?br />

2013年，ALPHA研究了当他们关闭陷阱时，被困的反氢是如何坠落的。但他们的研究结果并不能回答这个问题。塔尔普说：“如果反物质的引力加速度与物质相同，我们应该得到加1g的结果；如果相反，则得到减1g。在第一个实验中，它被缩小到大约正负100克之间?！?br />

第一个实验装置的问题是，简单地关闭陷阱是一个混乱的事件。塔尔普说：“这就像在气球里装满氢气，然后把它打爆?！?br />

研究团队意识到，要想获得更精确的答案，他们需要更多的技巧?！拔颐强忌杓埔桓龈系姆桨?。”法扬斯说道。

2018年，在美国国家科学基金会和美国能源部的资助下，他们开始构建最新版本的实验ALPHA-g。在这场实验中，他们想慢慢关闭陷阱，使其变得越来越弱，直到反氢原子开始逃逸。如果引力将反物质拉低，反氢原子逃离底部陷阱的概率会略高。如果引力起到相反的作用，他们会看到更多的原子从顶部逃逸。

一个巨大的挑战是解释所有实验中的不确定性。“引力势真的很小。” 霍奇金森说：“如果磁场的不确定性与小引力势相当，那么我们就有问题了?！?br />

研究团需要深入了解磁阱的形状和结构。这意味着要详细了解他们的磁铁?；羝娼鹕担骸拔颐窃诓悸晨撕Ｎ墓沂笛槭遗纳懔嗣恳徊愦盘剖钡恼掌?。然后我们必须对每一块磁铁中的每一根电线进行建模?！?br />

整个装置包含大约30个磁铁。了解每根电线的位置，科学家们就可以计算出陷阱中的总磁场，并用它来模拟实验。当模拟和实验准备好后，他们开始了试验。

首先，他们通过实施强磁偏置来测试陷阱的能力?；羝娼鹕担骸拔颐窍肟纯词欠衲馨阉械姆辞舛纪聘?，是否能把全部的反氢推低?？梢缘幕?，从那时起，就需要提高敏感度?！?br />

然后，科学家们调整了陷阱顶部和底部的强度?！罢饩拖褚桓龃牌胶?。” 法扬斯说：“如果我们在天平的两端各放入1公斤的重物，它们会保持在相同的高度。但如果我们只在一边加1克，天平的一端就会沉下去。”

这个想法是为了找到平衡点——反氢以相同的速度从陷阱的顶部和底部逃逸的磁偏置。这个平衡点将揭示引力是否（以及如何）会颠覆平衡。他们对实验进行了13次迭代，每次都有不同的磁偏置。

该成果在其最新论文中表示：与我们的测量结果最匹配的结果是，反物质向地球的局部加速度为（0.75±0.13（统计+系统）±0.16（模拟））g。我们得出的结论是，反氢原子的动力学行为与这些原子与地球之间存在的引力相一致。”

这些结果再次证实了阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。

“我们不知道关于引力的一切。”塔尔普说：“我们有一张引力扭曲时空的图像。如果反物质以相反的方式坠落，这张图像将不再适用。这些结果是一个新的、实质性的部分?！?br />

爱因斯坦的获奖对物理学界来说并不奇怪，但法扬斯指出，在这项实验之前，仍有怀疑的余地。法扬斯说：“有一小部分但稳定的论文来自知名机构的物理学家，他们对宇宙和星系进行了预测，这些预测依赖于物质和反物质的引力相反。我们似乎否定了所有这些理论。”

尽管ALPHA已经表明反物质会坠落，但精度太低，无法知道反物质和物质是否经历了相同强度的引力。下一步是提高精度，并准确研究引力如何影响反物质。

“实验的任何差异都将彻底改变物理学。”法扬斯最后说道：“这么做的好处是，如果我们得到了积极的结果，这将是一个勇敢的新世界——这是过去50年来物理学中最令人兴奋的发现！这些实验肯定值得继续做下去?！?/span>

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭