反物质是往下落还是上浮？现在有了明确答案
对于那些仍然希望反物质在引力场中漂浮而不是下落，就像普通物质一样，一项新实验的结果给予了冷酷的现实。
物理学家们研究反氢(由反质子与反电子或正电子组成)的实验结果明确表明，引力将其向下拉，并不会向上推。
至少对于反物质来说，反重力并不存在。
这项实验结果已经在《自然》杂志的9月28日期刊上由欧洲核子研究中心(CERN)日内瓦的ALPHA(反氢激光物理装置)合作团队的代表团队报告。
团队得出的反物质的引力加速度接近地球上普通物质的加速度：1 g，即每秒每秒9.8米。更准确地说，它被发现在正常重力的标准偏差范围内约为25%。
加州大学伯克利分校物理学教授Joel Fajans与理论物理学家Jonathan Wurtele是十多年前首次提出这个实验的人之一。Fajans表示：“它肯定向下加速，并且在正常速度的标准偏差范围内。”他补充说：“底线是，没有免费的午餐，我们不能利用反物质来实现漂浮。”
这个结果对大多数物理学家来说并不令人惊讶。虽然阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论是在1932年发现反物质之前提出的，但它将所有物质视为相同，意味着反物质和物质对引力力的反应是相同的。所有普通物质，如质子、中子和电子，都有相反电荷的反粒子，当它们与其普通物质的对应物相遇时，会完全湮灭。
Wurtele表示：“相反的结果将产生重大影响；它将与爱因斯坦广义相对论的弱等效原理不一致。”他说：“这个实验是第一次直接测量中性反物质受到引力力的实验。这是发展中性反物质科学领域的又一步。”
Fajans指出，没有任何物理理论实际上预测反物质的引力应该是斥力。一些物理学家声称，如果是这样的话，你可以创造一个永动机，但从理论上讲是不可能的。
然而，反物质和物质在引力作用下可能受到不同影响的想法是令人着迷的，因为它可能解释了一些宇宙之谜。例如，它可能导致物质和反物质在早期宇宙中的空间分离，解释了为什么我们在周围的宇宙中只看到了少量的反物质。大多数理论预测，在宇宙大爆炸中产生了相等数量的物质和反物质。
根据Fajans的说法，已经有许多间接的实验强烈暗示反物质会正常地受到引力的影响，但这些实验相对来说比较微妙。
他说：“你可能会问，为什么不做一个明显的实验，放下一块反物质，就像比萨斜塔实验一样？你知道，伽利略实际上没有做过这个实验，这是一个传说，他据说从塔的顶部同时放下了一个铅球和一个木球，证明它们同时到达地面。”
Fajans补充说：“真正的问题是，与电场相比，引力力非常微弱。到目前为止，使用带电粒子(如裸正电子)进行类似下落式测量的直接测量引力是不可能的，因为任何杂散的电场都会使粒子偏转得比引力更多。”
事实上，引力是已知四种力中最弱的一种。它主导着宇宙的演化，因为理论上所有物质都受到它的影响，而且影响范围极大。但对于一小块反物质来说，这种影响微不足道。1伏/米的电场对反质子的作用力约为引力对地球施加的作用力的40万亿倍。
CERN的ALPHA合作团队向Wurtele提出了一种新的方法。到2010年，ALPHA团队已经成功捕获了大量的反氢原子，并且在2011年，Wurtele坚持认为，由于反氢是电中性的，它不会受到电场的影响，他们应该探索测量引力的可能性。
Fajans对这个想法不屑一顾了很多个月，但最终被说服足够认真地进行一些模拟，这些模拟表明Wurtele的想法是有价值的。加州大学伯克利分校的讲师Andrew Charman和博士后研究员Andrey Zhmoginov参与其中，并意识到对先前数据的回顾性分析可以对反物质与地球的引力相互作用提供非常粗略的限制。
在ALPHA团队的帮助下，这导致了一篇论文的发表，结论是与普通物质相比，反氢在上下方向上由于地球的重力而加速的限度不超过大约100倍。
尽管如此，这个不起眼的开始还是使ALPHA团队决定建立一个实验来进行更精确的测量。2016年，合作开始建造一个名为ALPHA-g的新实验，该实验在2022年夏季和秋季进行了首次测量。
《自然》杂志上发表的结果基于去年观察到的模拟和统计分析，将反物质的引力常数确定为0.75 ± 0.13 ± 0.16 g，或者如果将统计误差和系统误差结合起来，为0.75 ± 0.29 g，这在误差范围内与1 g相符。团队得出的结论是，对于反物质来说，引力具有排斥性的可能性非常小，几乎可以忽略不计。
Fajans和Wurtele表示，至少有十几名加州大学伯克利分校的本科物理专业学生参与了实验的组装和运行，其中许多来自物理学领域中代表性不足的群体。
Fajans说：“这对许多伯克利本科生来说是一个很好的机会。这些实验很有趣，我们的学生学到了很多东西。”
一个平衡
Wurtele和Fajans提出的ALPHA-g计划是每次将约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的半度(0.5开尔文)以上的反氢原子。
即使在这种极低的温度下，反原子的平均速度也达到每秒100米，每秒在瓶子两端的强磁场中反弹数百次。(反氢原子的磁偶极矩受到瓶子两端的约10,000高斯磁场的排斥。)
如果瓶子垂直放置，向下运动的原子将因重力而加速，而向上运动的原子将减速。当两端的磁场相同，即平衡时，向下运动的原子平均具有更多的能量。因此，它们更有可能通过磁镜逃逸并撞击容器，在一道光中湮灭并产生三到五个π介子。通过检测π介子的方向来确定反原子是向上逃逸还是向下逃逸。
Fajans说，这个实验就像用来比较非常相似的重量的标准天平一样。磁平衡使得在更大的磁力存在下，相对微小的重力力量变得可见，就像普通天平使得1千克和1.001千克之间的差异可见一样。
然后，镜像磁场被非常缓慢地降低，以便所有的原子最终逃逸。如果反物质的行为像普通物质一样，更多的反原子(约80%)应该从底部逃逸而不是顶部。
Fajans说：“平衡使我们能够忽略反原子具有不同能量的事实。能量最低的那些最后逃逸，但它们仍然受到平衡的影响，而且对于所有反原子来说，重力的影响都得到了增强。”
实验设置还允许ALPHA使底部的磁镜比顶部的磁镜更强或更弱，这使得每个反原子都获得能量提升，可以抵消或克服重力的影响，从而使得从顶部逃逸的反原子数量相等或更多。
Fajans说：“这给了我们一个强大的实验手段，基本上可以让我们相信实验确实起作用，因为我们可以向自己证明我们可以以可预测的方式控制实验。”
由于存在许多未知因素，结果必须进行统计处理：研究人员无法确定他们捕获了多少反氢原子，无法确定他们是否检测到了每次湮灭，无法确定是否存在一些未知的磁场会影响反原子的轨迹，也无法确定他们是否正确地测量了瓶子中的磁场。
Wurtele说：“由于我们不知道反氢原子的精确初始条件，ALPHA模拟实验的计算机代码可能存在微妙的错误，由于我们的磁场不正确，或者由于某些未知的未知因素，它可能是错误的。尽管如此，通过调整平衡旋钮提供的控制能力使我们能够探索任何差异的程度，从而确信我们的结果是正确的。”
加州大学伯克利分校的物理学家们对ALPHA-g和计算机代码的即将到来的改进寄予厚望，这将使仪器的灵敏度提高100倍。
Fajans说：“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，但ALPHA是为反氢的光谱学设计的，而不是为这些反原子的引力测量设计的。Jonathan和我提出的建议与ALPHA的所有计划完全不同，如果没有我们的工作和多年的孤独发展，这项研究可能不会发生。”
尽管这个零结果可能被认为是乏味的，但这个实验也是对广义相对论的重要测试，迄今为止，广义相对论已经通过了所有其他测试。
Wurtele说：“如果你走进这个系的走廊，问物理学家们，他们都会说这个结果一点也不令人惊讶。这就是现实。但他们中的大多数人也会说，这个实验必须做，因为你永远不能确定。物理学是一门实验科学。你不想成为那种因为认为自己知道答案而不做探索可能的新物理的实验而变得愚蠢的人，结果却是完全不同的。”