反氢原子（蓝色小球）在竖井里下落，同物质相遇发生了湮灭。 （美国国家科学基金会/图）
我们生活在一个“物质世界”中，从宇宙到人体再到细胞，都是物质。但物理学家的研究表明，与物质相对应，宇宙中还存在反物质，他们对此进行了近百年的探索。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，公布了他们对反物质的最新研究结果。他们在实验中发现，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、丹麦奥胡斯大学物理学教授同时也是这篇论文的通讯作者之一的杰弗里·汉斯特（Jeffrey Hangst）表示：“这是首次直接在实验中观测到引力对于反物质运动的作用，在反物质研究的历史上是一个里程碑。”
反物质的谜团
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，存在一种粒子，除电性和电子相反外，其他所有性质都和电子相同，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）在实验中发现了狄拉克预言的正电子，他也因此获得了1936年诺贝尔物理学奖。
反物质被发现后，物理学家开始研究反物质的性质，并且思考反物质与引力的关系。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。从1919年的日食观测到2015年发现引力波，广义相对论的预言在一个世纪里不断得到证实，也经受住一系列实验的考验。
在爱因斯坦提出广义相对论的时候，包括他在内的物理学家还不知道反物质的存在。但在广义相对论中，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。因此，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，ALPHA合作组此次完成的就是这样一次直接实验。在爱因斯坦之前，牛顿建立了成功的引力理论，他被落下的苹果砸中从而想出万有引力定律的故事可谓是家喻户晓。虽然这只是一个故事，但是物理学家在这个实验中希望研究的问题可以理解为：在一个由反物质组成的世界里，苹果还会掉下并且砸到牛顿吗？
物理学家探究反物质在引力作用下的运动，还希望借此回答一个事关宇宙演化的关键问题。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。这被称为“正反物质不对称之谜”，是当今物理学中最大的谜团之一。
大部分物理学家根据广义相对论，相信反物质和物质在引力的作用下应该有相同的行为；但也有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。这样一来，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，从而可以破解正反物质不对称之谜。因此，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，就将获得解决这一难题的重要线索，甚至在物理学中引发一场颠覆性的革命。
工作人员正在安装ALPHA-g仪器。（欧洲核子研究中心/图）
制造反物质
和牛顿最负盛名的“故事”一样，引力理论的先驱伽利略在比萨斜塔完成两个铁球同时落地的实验，从而推翻亚里士多德的落体定律，同样是一个后人杜撰的故事。不过，如果想研究反物质在引力作用下的运动，物理学家会很自然地想到可以用落体实验来考察反物质是否和物质遵循一样的引力定律。只不过，这个思路虽然理论上可行，在实验中却困难重重。
在任何两个有质量的物体之间都存在引力。在已知的自然界的4种基本作用力中，引力是作用距离最长的力，因此在宇宙演化和天体相互作用中扮演着最重要的角色。但是，引力又是4种力中最弱的力，对质量极小的粒子而言，引力的作用效果可谓微乎其微。举例来说，对一个反质子而言，1V/m的电场施加的力的大小是地球施加的引力大小的40万亿倍。因此，如果使用带电的反物质粒子作为实验对象的话，几乎不可能完成检验引力作用效果的实验，研究人员只能选择电中性的反物质粒子。
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，这些性质使得反氢原子成为研究反物质的引力行为的最佳选择。
目前，物理学家都是在实验室中获得反物质粒子。例如，在高能粒子碰撞中产生的粒子都是成对出现的，一个物质粒子对应一个反物质粒子。但是，把反物质粒子结合到一起形成反原子却非常困难，因为反物质粒子的寿命通常都非常短暂。当一个反物质粒子与对应的物质粒子相遇的时候，它们会发生湮灭，转化成能量。在一个由物质组成的世界里，反物质粒子很难相遇再结合成反原子。
因此，虽然反氢原子是最简单的反物质原子，但目前世界上也只有欧洲核子研究中心能够制造反氢原子，物理学家在那里使用反氢激光物理仪器（Antihydrogen Laser Physics Apparatus，ALPHA）对反物质进行研究。ALPHA合作组的研究人员通过高速质子碰撞获得反质子。此后，一台名为ELENA的减速器可以将反质子的速度降到足够慢，以便物理学家进行下一步操作。在欧洲核子研究中心，有几个研究反物质的实验都依靠ELENA提供便于操控的反质子，其中就包括这次实验。与此同时，他们从放射源中收集正电子。接下来，他们把二者结合在一起，就创造出反氢原子。
下落的反物质
在获得了反氢原子后，研究人员把它们推到一个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。竖井的周围围绕着超导电磁线圈，从而避免反物质与物质接触进而发生湮灭。研究人员让竖井中较热的反氢原子逃逸出去，这样竖井中的反氢原子气体就会变得更冷，只比绝对零度高0.5℃。剩下的反氢原子以很慢的速度运动。
接下来，研究人员逐渐减弱竖井顶部和底部的磁场，这就相当于打开了一个罐子的盖子和底部。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。在实验中，他们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，通过逐渐减小竖井顶部和底部磁铁中的电流的方式把反氢原子释放出来。
在我们的日常生活中，如果打开一个气体容器的话，里面的气体会向各个方向逃逸。但是反氢原子此时的运动速度很慢，如果反物质和物质受到相同形式的引力作用，那么地球引力此刻就会产生明显的效应：大部分的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，这个操作将导致有大约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。
研究人员在这项研究中进行了7次实验，在每次实验中，偏置磁场的大小不一样，这个磁场既可以加强也可以抵消引力。通过将7次实验的结果进行平均，ALPHA合作组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，反氢原子的加速同由地球引力引起的物质的加速是一致的。
2010年，汉斯特领导的团队在历史上首次成功囚禁了反氢原子。2016年，他们又成功测量了反原子如何吸收光线。但是引力实验的复杂程度前所未有，正如他所言：“这是到目前为止我们完成的最困难的事情。”
虽然这次实验还存在一定的误差，但是研究人员认为，他们至少能够决定性地排除一种可能，即引力对反物质的作用是排斥的，也就是说，反重力理论不可能成立。由此我们能够确认：在反物质的世界里，苹果也是向下掉落，也许会砸到那个世界里的“牛顿”。
ALPHA合作组计划在2024年进行更加精确的测量，精度将达到此次实验的100倍。汉斯特表示：“我们用了30年的时间学会如何制造反原子、如果使它们持续存在以及如何很好地控制它们，这样我们才能使它们在引力的作用下掉落。下一步是尽可能精确地测量这种加速。我们希望去验证无论是物质还是反物质都以相同的方式下落。”
ALPHA合作组此次公布的结果是一个意料之中的发现，但正如汉斯特所说，这仍然是一项具有里程碑意义的成果。物理学是一门实验科学，以实验验证理论猜想正是其中最核心的部分。物理学家通过这项实验不仅验证了此前的猜想，也奠定了研究中性反物质的重要基础。在以此为起点开始的反物质研究中，也许会诞生一些意料之外的发现，从而改写我们对物质与反物质的形成和演化的理解，真正破解物理学中最大的谜团之一。
南方周末特约撰稿 鞠强
责编 朱力远
