欧洲核子研究中心(CERN)的ALPHA合作项目进行的一项实验表明，反氢(反质子和反电子的组合)被重力向下拉，这打消了反物质反重力的想法。这与爱因斯坦的广义相对论相一致。广义相对论早于反物质的发现，并认为所有物质，无论是规则物质还是非规则物质，对引力的反应都是一样的。

欧洲核子研究中心的ALPHA合作项目在实验上取得了成功证实了反氢被重力拉下，抵消了co反物质悬浮的概念，并与爱因斯坦的广义相对论一致。

对于那些仍然抱着希望的人来说，反物质在引力场中是悬浮的，而不是像正常物质一样下落的，一项新实验的结果是一剂冰冷的现实。

研究反氢(一个反质子与一个反电子或正电子配对)的物理学家已经确凿地表明，重力把它向下拉，而不是把它向上推。

至少对于反物质来说，反重力是不存在的。

https://youtu.be/P9wZWLWoc-g反氢原子从ALPHA-g装置的磁阱底部掉出来的艺术家概念图。当反氢原子逃逸时，它们接触到腔壁并湮灭。大部分的湮灭发生在腔室下面，这表明重力正在把反氢往下拉。动画中旋转的磁场线表示磁场对反氢的无形影响。在实际实验中，磁场是不旋转的。资料来源:李凯依“缟玛瑙”/美国国家科学基金会

报告调查结果

实验结果将由位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)的反氢激光物理装置(ALPHA)合作团队在9月28日的《自然》杂志上发表。该团队提出的反物质的重力加速度接近于地球上正常物质的重力加速度:1g，即每秒9.8米(每秒32英尺)。更准确地说，它被发现在正常重力的25%(一个标准偏差)之内。

加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的物理学教授乔尔·法扬斯(Joel Fajans)说:“它肯定是向下加速的，而且它的加速速度与正常速度相差不到一个标准差。”他和同事、理论家乔纳森·沃特勒(Jonathan Wurtele)在十多年前首次提出了这个实验。“底线是天下没有免费的午餐，我们也不可能利用反物质悬浮起来。”

这张图显示了反氢原子在一个磁阱中下落并湮灭，这是欧洲核子研究中心测量重力对反物质影响的ALPHA-g实验的一部分。资料来源:美国国家科学基金会

含义及历史背景

这个结果不会让大多数物理学家感到惊讶。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论虽然是在1932年反物质被发现之前提出的，但它对所有物质都一视同仁，这意味着反物质和物质对引力的反应是一样的。所有的正常物质，如质子、中子和电子，都有带有相反电荷的反粒子，当它们遇到正常物质时，就会完全湮灭。

“相反的结果会产生重大影响;这将与爱因斯坦广义相对论的弱等效原理不一致，”加州大学伯克利分校物理学教授Wurtele说。“这个实验是第一次直接测量中性反物质的引力。这是发展中性反物质科学领域的又一步。”

法扬斯指出，实际上没有任何物理理论预测引力应该对反物质具有排斥性。一些物理学家声称，如果是这样的话，你就可以制造出永动机，这在理论上是不可能的。

尽管如此，反物质和物质可能受到引力的不同影响的想法还是很吸引人的，因为它可能解释一些宇宙难题。例如，它可能导致了早期宇宙中物质和反物质的空间分离，解释了为什么我们在周围的宇宙中只能看到少量的反物质。大多数理论预测，在诞生宇宙的大爆炸期间，应该产生了等量的物质和反物质。

加州大学伯克利分校博士后丹妮尔·霍奇金森(右)在瑞士欧洲核子研究中心的控制室里进行ALPHA-g实验。来源:加州大学伯克利分校Joel Fajans

引力非常微弱

根据Fajans的说法，已经有很多实验，都是间接的，强烈地表明反物质的引力是正常的，但这些实验都相对微妙。

“你可能会问，为什么不做一个显而易见的实验，扔一块反物质，就像比萨斜塔实验一样?”你知道，伽利略实际上没有做过的实验——这是杜传的——据说他从塔顶扔下了一个铅球和一个木球，并证明它们同时落地。”

“真正的问题是，与电力相比，引力是非常微弱的，”Fajans补充道。“到目前为止，已经证明不可能用带电粒子(如裸正电子)的水滴式测量直接测量重力，因为任何散失的电场都会比重力更大地偏转粒子。”

事实上，引力是已知的四种自然力中最弱的。它支配着宇宙的演化，因为从理论上讲，所有的物质都受到它的影响。但对于一小块反物质来说，这种效应微乎其微。一个1伏特/米的电场对反质子施加的力大约是地球引力的40万亿倍。

ALPHA协作和实验设置

欧洲核子研究中心的ALPHA合作向Wurtele提出了一个新方法。到2010年，ALPHA团队捕获了大量的反氢原子。2011年，Wurtele向Fajans坚持认为，由于反氢原子是电荷中性的，它不会受到电场的影响，他们应该探索重力测量的可能性。

法扬斯对这个想法否定了好几个月，但最终还是被说服认真对待，并进行了一些模拟，表明Wurtele的想法是有价值的。加州大学伯克利分校讲师安德鲁·查曼(Andrew Charman)和博士后安德烈·日莫吉诺夫(Andrey Zhmoginov)参与其中，并意识到对先前数据的回顾性分析可以为反物质与地球的引力相互作用提供非常粗略的限制。在阿尔法同事的帮助下，这篇论文得出结论，与普通物质相比，由于地球引力，反氢在向上或向下的方向上的加速度不超过100倍。

尽管如此，这个平淡无奇的开始还是说服了ALPHA团队建立一个实验来进行更精确的测量。2016年，在美国国家科学基金会(National Science Foundation)、能源部(Department of Energy)、加拿大政府、丹麦啤酒制造商嘉士伯(Carlsberg)和其他国际机构的资助下，这项合作开始构建一个新的实验ALPHA-g，并于2022年夏秋两季进行了首次测量。

发表在《自然》杂志上的结果是基于对该团队去年观测结果的模拟和统计分析，并将反物质的引力常数设定为0.75±0.13±0.16 g，或者，如果你把统计误差和系统误差结合起来，0.75±0.29 g，误差在1 g以内。研究小组得出的结论是，引力对反物质具有排斥性的可能性非常小，以至于没有意义。

Fajans和Wurtele说，至少有12名加州大学伯克利分校物理学专业的本科生参与了这次实验的组装和运行，其中许多人来自物理学领域没有代表性的团体。

“对许多伯克利本科生来说，这是一个很好的机会，”法扬斯说。“这些都是有趣的实验，我们的学生可以学到很多东西。”

平衡和微调实验

Wurtele和Fajans提出的ALPHA-g计划是一次将大约100个反氢原子限制在一个25厘米长的磁瓶中。ALPHA只能限制温度低于绝对零度半度(即0.5开尔文)的反氢原子。即使在这种极低的温度下，反原子也以平均每秒100米的速度运动，在瓶子两端的强磁场下每秒反弹数百次。(反氢原子的磁偶极矩被瓶子两端压缩的10000高斯磁场所排斥。)

如果瓶子是垂直的，向下运动的原子会因为重力而加速，而向上运动的原子会减速。当两端的磁场相同，即平衡时，那些向下运动的原子平均会拥有更多的能量。因此，它们将更有可能通过磁镜逃逸并击中容器，在闪光中湮灭并产生3到5个介子。通过检测介子来确定反原子是向上逃逸还是向下逃逸。

法扬斯说，这个实验就像一个标准的天平，用来比较非常相似的重量。磁天平使相对较小的引力在更大的磁力存在下可见，就像普通天平可以看到1千克和1.001千克之间的差异一样。

然后镜像磁场非常缓慢地减弱，这样所有的原子最终都会逃逸。如果反物质的行为和正常物质一样，那么更多的反原子——大约80%——会从底部而不是顶部逸出。

“这种平衡使我们可以忽略反原子能量不同的事实，”Fajans说。“能量最低的原子最后逃逸，但它们仍然受到平衡的影响，引力对所有反原子的影响都增强了。”

实验装置还允许ALPHA使底部的磁镜比顶部的磁镜更强或更弱，这给每个反原子一个能量的提升，可以抵消或克服重力的影响，允许相同或更多数量的反原子从顶部出来，而不是底部。

“这给了我们一个强大的实验旋钮，让我们基本上相信实验是有效的，因为我们可以向自己证明，我们可以以一种可预测的方式控制实验，”Fajans说。

由于存在许多未知因素，研究人员必须对结果进行统计处理:他们不能确定他们捕获了多少反氢原子，他们不能确定他们探测到了每一次湮灭，他们不能确定没有一些未知的磁场会影响反原子的轨迹，他们也不能确定他们正确地测量了瓶子里的磁场。

“ALPHA模拟实验的计算机代码可能有微妙的错误，因为我们不知道反氢原子的精确初始条件，它可能是错误的，因为我们的磁场不正确，它可能是错误的，因为一些未知的未知，”Wurtele说。“尽管如此，通过调节平衡旋钮提供的控制可以让我们探索任何差异的程度，让我们相信我们的结果是正确的。”

有限公司结论和未来展望

加州大学伯克利分校的物理学家们希望，对ALPHA-g和计算机代码即将进行的改进将使仪器的灵敏度提高100倍。

“这个结果是一个团队的努力，尽管这个项目的起源是在伯克利，”Fajans说，“ALPHA是为反氢的光谱设计的，而不是对这些反原子的引力测量。乔纳森和我的提议与ALPHA的所有计划完全不相干，如果没有我们的工作和多年的孤独开发，这项研究很可能不会发生。”

虽然这个无效的结果可能会被认为是不令人兴奋的，但这个实验也是对广义相对论的一个重要测试，迄今为止，广义相对论已经通过了所有其他测试。

“如果你走在这个部门的大厅里，问物理学家，他们都会说这个结果一点也不令人惊讶。这就是现实，”Wurtele说。“但他们中的大多数人也会说，这个实验必须做，因为你永远无法确定。物理学是一门实验科学。你不想成为那种愚蠢的人，因为你认为你知道答案而不去做一个可能探索新物理学的实验，然后它最终会有所不同。”

参考:“观测反物质的重力对运动的影响”的e·k·安德森,c·j·贝克,w . Bertsche n . m . Bhatt g . Bonomi a .·卡普拉Carli, c·l·塞萨尔·m·查尔顿,a·克里斯滕森r . Collister a Cridland Mathad, d . Duque Quiceno,埃里克森,埃文斯,n . Evetts s Fabbri j . Fajans a . Ferwerda t·弗m . c .藤原d·r·吉尔·l·m·Golino m·b·戈梅斯Goncalves p . Grandemange p .叶绿体基粒,j . s .汉斯特·m·e·海登·d·哈吉金森,e·d·亨特,c·a·艾萨克A. J. U.希门尼斯，M. A.约翰逊，J. M.琼斯，S. A.琼斯，S.琼塞尔，A.赫拉莫夫，N.马德森，L.马丁，N.马萨克雷特，D.麦克斯韦，J. T. K.麦肯纳，S.梅纳里，T.莫莫斯，M.莫斯坦曼，P. S.穆兰，J.诺塔，K.奥尔钱斯基，A. N.奥利维拉，J.佩兹卡，A.鲍威尔，C. ?。Rasmussen, F. Robicheaux, R. L. Sacramento, M. Sameed, E. Sarid, J. Schoonwater, D. M. Silveira, J. Singh, G. Smith, C. So, S. Stracka, G. Stutter, T. D. Tharp, K. A. Thompson, R. I. Thompson, E. Thorpe-Woods, C. Torkzaban, M. Urioni, P. Woosaree和J. S. Wurtele, 2023年9月27日，《自然》DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06527 - 1

这篇论文的其他作者是加州大学伯克利分校的博士后丹妮尔·霍奇金森，研究生安德鲁·克里斯滕森，前研究生埃里克·亨特，现在在维也纳的斯蒂芬·迈耶研究所，塞莱斯特·卡鲁斯·托克扎班，现在在德国汉诺威的莱布尼茨Universit?t，和Chukman So，现在在加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华的粒子加速器中心。阿尔法实验室重力实验的副发言人是威尔·伯切，他曾是法扬斯大学的研究生和博士后，现在是曼彻斯特大学的一名读者。

参与的本科生包括Josh Clover、Haley Calderon、Mike Davis、Jason doones、Huws Landsberger、Nicolas Kalem James mcgrivey、Dalila Robledo、Sara Saib、Shawn Shin、Ethan Ward、Larry Zhao和Dana Zimmer。

美国对反氢的研究主要是由能源部聚变能科学办公室和美国国家科学基金会的等离子体物理项目支持的。