反氫原子（藍色小球）在豎井裡下落，同物質相遇發生了湮滅。 （美國國家科學基金會/圖）
我們生活在一個「物質世界」中，從宇宙到人體再到細胞，都是物質。但物理學家的研究表明，與物質相對應，宇宙中還存在反物質，他們對此進行了近百年的探索。2023年9月27日，歐洲核子研究中心（CERN）的ALPHA合作組在《自然》（Nature）上發表了一篇論文，公布了他們對反物質的最新研究結果。他們在實驗中發現，反氫原子在引力作用下會自由下落，這和物質在引力作用下的運動方式相同。
ALPHA合作組發言人、丹麥奧胡斯大學物理學教授同時也是這篇論文的通訊作者之一的傑弗里·漢斯特（Jeffrey Hangst）表示：「這是首次直接在實驗中觀測到引力對於反物質運動的作用，在反物質研究的歷史上是一個里程碑。」
反物質的謎團
1928年，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）提出了狄拉克方程，預言了反物質的存在。在他的理論中，存在一種粒子，除電性和電子相反外，其他所有性質都和電子相同，這種粒子後來被命名為正電子。1932年，美國物理學家卡爾·安德森（Carl Anderson）在實驗中發現了狄拉克預言的正電子，他也因此獲得了1936年諾貝爾物理學獎。
反物質被發現後，物理學家開始研究反物質的性質，並且思考反物質與引力的關係。1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，建立了迄今為止最成功的引力理論。從1919年的日食觀測到2015年發現引力波，廣義相對論的預言在一個世紀里不斷得到證實，也經受住一系列實驗的考驗。
在愛因斯坦提出廣義相對論的時候，包括他在內的物理學家還不知道反物質的存在。但在廣義相對論中，相同質量的物體受到的引力相同，而與它們的內在結構或性質無關。因此，物質和反物質受到的引力作用應該是相同的。過去的一些實驗表明，引力對物質和反物質的作用效果相同，但這些實驗都只能間接地證明這一點。
數十年來，物理學家都希望通過直接實驗來研究這個問題，ALPHA合作組此次完成的就是這樣一次直接實驗。在愛因斯坦之前，牛頓建立了成功的引力理論，他被落下的蘋果砸中從而想出萬有引力定律的故事可謂是家喻戶曉。雖然這只是一個故事，但是物理學家在這個實驗中希望研究的問題可以理解為：在一個由反物質組成的世界裡，蘋果還會掉下並且砸到牛頓嗎？
物理學家探究反物質在引力作用下的運動，還希望藉此回答一個事關宇宙演化的關鍵問題。根據大爆炸理論，宇宙大爆炸發生時應該產生同等數量的物質和反物質，但是這些物質和反物質卻沒有發生湮滅而全部轉化成能量，而且我們今天生活在一個幾乎完全由物質組成的宇宙中。這被稱為「正反物質不對稱之謎」，是當今物理學中最大的謎團之一。
大部分物理學家根據廣義相對論，相信反物質和物質在引力的作用下應該有相同的行為；但也有物理學家支持反重力理論，他們認為反物質在引力作用下不是向下掉落，而是反方向向上飛起。這樣一來，在宇宙形成之初，物質和反物質在引力作用下就會向著相反的方向運動，經過138億年的演化，我們今日所處的宇宙中就不會探測到反物質的存在，從而可以破解正反物質不對稱之謎。因此，如果物理學家在實驗中直接觀察到反物質在引力作用下的運動和物質存在差異，就將獲得解決這一難題的重要線索，甚至在物理學中引發一場顛覆性的革命。
工作人員正在安裝ALPHA-g儀器。（歐洲核子研究中心/圖）
製造反物質
和牛頓最負盛名的「故事」一樣，引力理論的先驅伽利略在比薩斜塔完成兩個鐵球同時落地的實驗，從而推翻亞里士多德的落體定律，同樣是一個後人杜撰的故事。不過，如果想研究反物質在引力作用下的運動，物理學家會很自然地想到可以用落體實驗來考察反物質是否和物質遵循一樣的引力定律。只不過，這個思路雖然理論上可行，在實驗中卻困難重重。
在任何兩個有質量的物體之間都存在引力。在已知的自然界的4種基本作用力中，引力是作用距離最長的力，因此在宇宙演化和天體相互作用中扮演著最重要的角色。但是，引力又是4種力中最弱的力，對質量極小的粒子而言，引力的作用效果可謂微乎其微。舉例來說，對一個反質子而言，1V/m的電場施加的力的大小是地球施加的引力大小的40萬億倍。因此，如果使用帶電的反物質粒子作為實驗對象的話，幾乎不可能完成檢驗引力作用效果的實驗，研究人員只能選擇電中性的反物質粒子。
反氫原子是氫原子對應的反物質，由一個正電子環繞一個反質子組成。它既是最簡單的反物質原子，又是電中性且穩定的反物質粒子，這些性質使得反氫原子成為研究反物質的引力行為的最佳選擇。
目前，物理學家都是在實驗室中獲得反物質粒子。例如，在高能粒子碰撞中產生的粒子都是成對出現的，一個物質粒子對應一個反物質粒子。但是，把反物質粒子結合到一起形成反原子卻非常困難，因為反物質粒子的壽命通常都非常短暫。當一個反物質粒子與對應的物質粒子相遇的時候，它們會發生湮滅，轉化成能量。在一個由物質組成的世界裡，反物質粒子很難相遇再結合成反原子。
因此，雖然反氫原子是最簡單的反物質原子，但目前世界上也只有歐洲核子研究中心能夠製造反氫原子，物理學家在那裡使用反氫激光物理儀器（Antihydrogen Laser Physics Apparatus，ALPHA）對反物質進行研究。ALPHA合作組的研究人員通過高速質子碰撞獲得反質子。此後，一台名為ELENA的減速器可以將反質子的速度降到足夠慢，以便物理學家進行下一步操作。在歐洲核子研究中心，有幾個研究反物質的實驗都依靠ELENA提供便於操控的反質子，其中就包括這次實驗。與此同時，他們從放射源中收集正電子。接下來，他們把二者結合在一起，就創造出反氫原子。
下落的反物質
在獲得了反氫原子後，研究人員把它們推到一個3米高的豎井中，這個裝置被稱作ALPHA-g，其中「g」表示重力加速度。豎井的周圍圍繞著超導電磁線圈，從而避免反物質與物質接觸進而發生湮滅。研究人員讓豎井中較熱的反氫原子逃逸出去，這樣豎井中的反氫原子氣體就會變得更冷，只比絕對零度高0.5℃。剩下的反氫原子以很慢的速度運動。
接下來，研究人員逐漸減弱豎井頂部和底部的磁場，這就相當於打開了一個罐子的蓋子和底部。當反氫原子逃逸出來並發生湮滅的時候，研究人員使用兩台感測器來測量湮滅發生的位置。在實驗中，他們一次在豎井裡困住大約100個反氫原子，然後在20多秒的時間裡，通過逐漸減小豎井頂部和底部磁鐵中的電流的方式把反氫原子釋放出來。
在我們的日常生活中，如果打開一個氣體容器的話，裡面的氣體會向各個方向逃逸。但是反氫原子此時的運動速度很慢，如果反物質和物質受到相同形式的引力作用，那麼地球引力此刻就會產生明顯的效應：大部分的反氫原子應該從底部逸出，少部分會從頂部逸出。計算機模擬顯示，對於物質來說，這個操作將導致有大約20%的原子從豎井的頂部逸出，而大約80%的原子從豎井的底部逸出。
研究人員在這項研究中進行了7次實驗，在每次實驗中，偏置磁場的大小不一樣，這個磁場既可以加強也可以抵消引力。通過將7次實驗的結果進行平均，ALPHA合作組發現反氫原子從頂部和底部逸出豎井的比例與模擬的結果一致。經過計算，他們給出的反氫原子受到的重力加速度的值為0.75 ± 0.29 g，g是當地的重力加速度。因此，他們得出結論：在目前的測量精度範圍內，反氫原子的加速同由地球引力引起的物質的加速是一致的。
2010年，漢斯特領導的團隊在歷史上首次成功囚禁了反氫原子。2016年，他們又成功測量了反原子如何吸收光線。但是引力實驗的複雜程度前所未有，正如他所言：「這是到目前為止我們完成的最困難的事情。」
雖然這次實驗還存在一定的誤差，但是研究人員認為，他們至少能夠決定性地排除一種可能，即引力對反物質的作用是排斥的，也就是說，反重力理論不可能成立。由此我們能夠確認：在反物質的世界裡，蘋果也是向下掉落，也許會砸到那個世界裡的「牛頓」。
ALPHA合作組計劃在2024年進行更加精確的測量，精度將達到此次實驗的100倍。漢斯特表示：「我們用了30年的時間學會如何製造反原子、如果使它們持續存在以及如何很好地控制它們，這樣我們才能使它們在引力的作用下掉落。下一步是儘可能精確地測量這種加速。我們希望去驗證無論是物質還是反物質都以相同的方式下落。」
ALPHA合作組此次公布的結果是一個意料之中的發現，但正如漢斯特所說，這仍然是一項具有里程碑意義的成果。物理學是一門實驗科學，以實驗驗證理論猜想正是其中最核心的部分。物理學家通過這項實驗不僅驗證了此前的猜想，也奠定了研究中性反物質的重要基礎。在以此為起點開始的反物質研究中，也許會誕生一些意料之外的發現，從而改寫我們對物質與反物質的形成和演化的理解，真正破解物理學中最大的謎團之一。
南方周末特約撰稿 鞠強
責編 朱力遠
