科学家首次观察到引力对反物质的影响

诸平

Fig. 1 Inside the ALPHA experiment facility at CERN, where physicists can make antihydrogen. Credit Maximilien BriceCERN

Fig. 2: ALPHA-g apparatus 

据英国曼彻斯特大学（University of Manchester）2023年9月28日提供的消息，科学家首次观测到重力对反物质的影响（Scientists observe the influence of gravity on antimatter for the first time）。科学家们证明了反物质和地球之间存在引力，再次证实了阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论（Albert Einstein’s General Theory of Relativity）。

人们认为，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）关于重力的历史性著作的灵感来自于观察苹果从树上落到地球上。但几十年来，科学家们一直想知道由反物质（antimatter）构成的“反苹果”（“anti-apple”）会发生什么——如果它存在的话，它会以同样的方式下落吗？

到目前为止，这个问题让科学家们对宇宙引力内容的了解并不完整。

2023年9月27日在《自然》（Nature）网站发表一篇论文——E. K. Anderson, C. J. Baker, W. Bertsche, N. M. Bhatt, G. Bonomi, A. Capra, I. Carli, C. L. Cesar, M. Charlton, A. Christensen, R. Collister, A. Cridland Mathad, D. Duque Quiceno, S. Eriksson, A. Evans, N. Evetts, S. Fabbri, J. Fajans, A. Ferwerda, T. Friesen, M. C. Fujiwara, D. R. Gill, L. M. Golino, M. B. Gomes Gonçalves, P. Grandemange, P. Granum, J. S. Hangst, M. E. Hayden, D. Hodgkinson, E. D. Hunter, C. A. Isaac, A. J. U. Jimenez, M. A. Johnson, J. M. Jones, S. A. Jones, S. Jonsell, A. Khramov, N. Madsen, L. Martin, N. Massacret, D. Maxwell, J. T. K. McKenna, S. Menary, T. Momose, M. Mostamand, P. S. Mullan, J. Nauta, K. Olchanski, A. N. Oliveira, J. Peszka, A. Powell, C. Ø. 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, J. S. Wurtele. Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter. Nature, 2023, 621: 716–722. Published: 27 September 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06527-1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06527-1.此成果是欧洲核子研究委员会反物质工厂（CERN’s Antimatter Factory）的ALPHA合作项目，其中包括曼彻斯特大学的学者。它表明，在实验精度范围内，反氢（antihydrogen）原子（即反物质的一种形式）会以与普通物质相同的方式落到地球上。

参与此项研究的有来自巴西里约热内卢联邦大学（Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil）、美国加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley, Berkeley, CA, USA)、美国普渡大学（Purdue University, West Lafayette, IN, USA）、美国马奎特大学（Marquette University, Milwaukee, WI, USA）；加拿大不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada)、加拿大约克大学（York University, Toronto, Ontario, Canada）、加拿大卡尔加里大学（University of Calgary, Calgary, Alberta, Canada）、加拿大西蒙菲莎大学（Simon Fraser University, Burnaby, British Columbia, Canada）、加拿大不列颠哥伦比亚理工学院（British Columbia Institute of Technology, Burnaby, British Columbia, Canada）；瑞士日内瓦欧洲核子研究中心（CERN, Geneva, Switzerland）、瑞士苏黎世理工学院 （ETH, Zurich, Switzerland）；荷兰格罗宁根大学（University of Groningen, Groningen, The Netherlands）、瑞典斯德哥尔摩大学（Stockholm University, Stockholm, Sweden）、以色列本古里安大学（Ben Gurion University, Beer Sheva, Israel）、意大利国家核物理研究院（INFN Pisa, Pisa, Italy）以及英国萨塞克斯大学（University of Sussex, Brighton, UK）等机构的研究人员。

物质是任何占据空间并具有质量的东西，可以是液体、固体或气体的形式。空气、水和岩石等都是物质的例子。反物质就像物质的反面，由具有相反电荷的粒子组成。例如，物质有电子，反物质有正电子也称其为反电子（antielectrons）。

虽然物质无处不在，但现在很难找到它的对立面，尽管两者在宇宙的婴儿期都是等量创造的。

上述这一结果推动科学家们距离解开反物质之谜又近了一步。

曼彻斯特大学加速器物理小组的威廉·贝尔切博士（Dr William Bertsche）、也是此合作项目的副发言人，他说：“爱因斯坦在一个多世纪前提出的广义相对论描述了引力的工作原理。但直到现在，我们还不能完全确定爱因斯坦的理论是否适用于反物质。这个实验在结果的确定性水平内证明了它确实适用，并证实了有史以来最著名的科学理论之一。”

“了解引力如何影响反物质对于理解反物质和引力本身的奥秘至关重要。所观察到的宇宙中物质对反物质的主导地位的起源仍然是对现有理论的一个悬而未决的挑战，我们的目标是通过仔细观察反物质相对于物质的行为来理解这一点。就其本身而言，引力仍然与其他理论（例如量子力学）不统一，因此拥有更广泛的观察范围将有助于我们进一步对它的理解。”

ALPHA发言人杰弗里·汉斯特 (Jeffrey Hangst) 补充道：“在物理学中，除非你观察到某件事，否则你不会真正了解它。这是第一个直接观察到引力对反物质运动的影响的实验。这是反物质研究的一个里程碑，由于它在宇宙中明显不存在，所以仍然让我们感到困惑。”

在2013 年对原始ALPHA装置进行原理验证实验后，该团队捕获了约100个反氢原子，一次一组，然后在20秒的时间内缓慢释放这些原子。

ALPHA-g设置的计算机模拟表明，对于物质而言，这种操作将导致大约20%的原子通过陷阱顶部离开，80%通过底部离开，这是由向下的重力造成的差异。通过对七次释放试验的结果进行平均，ALPHA团队发现从顶部和底部排出的反原子比例与模拟的预期一致。

杰弗里·汉斯特说：“我们花了30年的时间来学习如何制造这种反原子，如何牢牢抓住它，如何很好地控制它，以至于我们可以以一种对重力敏感的方式把它放下。”

“下一步是尽可能精确地测量加速度。我们想要测试物质和反物质是否确实以相同的方式下落。反氢原子的激光冷却（Laser-cooling of antihydrogen atoms），我们首先在ALPHA-2中演示，并将在当我们在2024年重返ALPHA-g时，预计会对精度产生重大影响。”

这项工作得到了巴西国家研究委员会（CNPq）、巴西卡洛斯·查加斯·菲略基金会(A Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro简称FAPERJ)和RENAFAE (Rede Nacional de Física de Altas Energias);加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）、加拿大国家研究委员会/国家研究院（NRC/TRIUMF）、EHPDS/EHDRS、CFI, DRAC; 丹麦(Denmark)嘉士伯基金会(Carlsberg Foundation)、尼斯中心FNU（FNU，Nice Centre）; 英国科学与技术设施理事会（STFC）、工程与物理科学研究理事会（EPSRC）、皇家学会（Royal Society）和利华休姆信托基金(Leverhulme Trust);美国能源部（DOE）、美国国家科学基金会（NSF）；以色列科学基金会（Israel Science Foundation简称ISF）、瑞典研究理事会（Swedish Research Council / Vetenskapsrådet简称VR）的资助或支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Einstein’s general theory of relativity from 1915¹ remains the most successful description of gravitation. From the 1919 solar eclipse² to the observation of gravitational waves³, the theory has passed many crucial experimental tests. However, the evolving concepts of dark matter and dark energy illustrate that there is much to be learned about the gravitating content of the universe. Singularities in the general theory of relativity and the lack of a quantum theory of gravity suggest that our picture is incomplete. It is thus prudent to explore gravity in exotic physical systems. Antimatter was unknown to Einstein in 1915. Dirac’s theory⁴ appeared in 1928; the positron was observed⁵ in 1932. There has since been much speculation about gravity and antimatter. The theoretical consensus is that any laboratory mass must be attracted⁶ by the Earth, although some authors have considered the cosmological consequences if antimatter should be repelled by matter^7,8,9,10. In the general theory of relativity, the weak equivalence principle (WEP) requires that all masses react identically to gravity, independent of their internal structure. Here we show that antihydrogen atoms, released from magnetic confinement in the ALPHA-g apparatus, behave in a way consistent with gravitational attraction to the Earth. Repulsive ‘antigravity’ is ruled out in this case. This experiment paves the way for precision studies of the magnitude of the gravitational acceleration between anti-atoms and the Earth to test the WEP.