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《自然》重磅:反物質對引力的響應

發布時間:2025-10-22閱讀(2)

反物質是由反粒子組成的物質,反粒子與普通粒子有相同的質量,但有相反的電荷和其他量子數。例如,電子的反粒子是正電子,質子的反粒子是反質子。當普通粒子和反粒子相遇時,它們會相互湮滅,釋放出大量的能量。

那么,反物質會受到引力的影響嗎?這個問題在1928年狄拉克提出反物質的理論后就引起了人們的興趣。根據廣義相對論,引力不是一種力,而是由于時空的彎曲造成的。時空會被物質和能量彎曲,而彎曲的時空會影響物質和能量的運動。因此,引力應該對所有形式的能量都起作用,包括反物質。換句話說,引力也應該吸引反物質,而不是排斥它。但是,這個假設并沒有得到實驗上的驗證。

在相對論中,有一個重要的原理叫做弱等效原理。它說的是,所有的物體在重力場中都以相同的加速度自由下落,不管它們的內部結構如何。這個原理可以用一個簡單的實驗來驗證:如果你從比薩斜塔上同時扔下兩個不同材料的球,它們會同時落到地面。這個實驗最早是由伽利略在16世紀做過的(據說)。后來,人們用更精確的方法來測試等效原理,比如用擺鐘、衛星、原子干涉儀等等。到目前為止,所有的實驗結果都支持了等效原理。

但是,等效原理只在普通物質上被測試過,而沒有在反物質上被測試過。反物質是不是也遵循等效原理呢?有些理論家認為,反物質應該和普通物質一樣受到引力吸引。有些理論家則認為,如果反物質被引力排斥,那么可能會解釋一些宇宙學上的謎團。

要想測試反物質受引力的影響,我們需要做一個類似于比薩斜塔的實驗:讓反物質自由下落,并觀察它們下落的速度和方向。但是,這個實驗并不容易做,因為反物質非常稀少和不穩定,在自然界中幾乎找不到。我們只能在大型粒子加速器中人工制造一些反物質,并用復雜的裝置來捕獲和儲存它們。而且,我們不能讓反物質接觸到任何普通物質,否則它們就會湮滅掉。

幸運的是,在歐洲核子研究中心有一個專門研究反氫原子(由一個反質子和一個正電子組成)的項目,叫做ALPHA。它們用一個強磁場來困住反氫原子,然后用激光來冷卻它們,使它們的能量降低到可以被測量的程度。在這個項目中,科學家們做了一個非常巧妙的實驗,來觀察反氫原子的自由下落。

這個實驗的原理是這樣的:首先,科學家們在磁場中捕獲了一些反氫原子,并用激光來冷卻它們。然后,他們突然關閉了磁場,讓反氫原子自由下落。在下落的過程中,反氫原子會經過一個叫做飛行時間譜儀(ToF)的裝置,它可以測量反氫原子的位置和速度。最后,反氫原子會撞到一個叫做湮滅探測器(AD)的裝置,它可以測量反氫原子湮滅時產生的粒子。

通過分析ToF和AD的數據,科學家們可以計算出反氫原子下落的加速度,并與普通物質的加速度進行比較。如果反物質被重力吸引,那么反氫原子的加速度應該和普通物質的加速度相同或相近。如果反物質被重力排斥,那么反氫原子的加速度應該和普通物質的加速度相反或不同。

這個實驗做了多次,每次釋放了幾十個或幾百個反氫原子,并收集了大量的數據。經過仔細地分析和統計,科學家們得出了一個令人振奮的結果:反氫原子確實是被重力吸引的,并且它們下落的加速度和普通物質的加速度沒有明顯的差異。這個結果表明,等效原理在反物質上也成立。

當然,這個實驗還有一些不足之處。首先,它只測量了一種反物質——反氫原子。我們不知道其他類型的反物質是否也有相同的行為。其次,它只測量了重力對反物質運動的平均效應,并沒有考慮到其他可能影響運動的因素,比如電磁場、溫度、壓強等等。第三,它只達到了一定程度的精確度,并沒有排除掉一些微小但有意義的差異。例如,有些理論家認為,重力對物質和反物質可能有一個很小但不為零的差別。

因此,這個實驗只是一個開端,并不是一個終點。它為我們提供了一個新的方法和平臺來探索重力和反物質之間的關系,并激發了我們進一步提高精確度和擴大范圍的愿望。我們希望,在未來,我們能夠用更多更好的實驗來驗證或推翻等效于哪里,并且找到一種能夠將相對論和量子力學統一起來的理論。

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