关于反物质的重力实验

人类发现反物质（antimatter）的历程颇为特殊。1928年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）发表了著名的狄拉克方程。这个方程虽然能够解决一些理论问题，却还可以从中推导出一种和电子质量相同但又带有正电荷的粒子。当时人们尚且无法理解这个结论。不过在几年之后，美国物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）在宇宙射线中发现了这种带有正电荷的奇异粒子——从此人类才认识到了这种很多性质与普通物质都恰好相反的反物质的存在。

人类发现反物质已经有将近一个世纪的时间。那么，这种物质在引力场中会有怎样的表现？大多数人认为，反物质粒子的质量与其相对应的普通物质粒子一样，在引力场中的表现也应该一样。但也有人认为，反物质粒子对于引力的反应不应当是吸引，而是与之相反——相互排斥。想要真正理解反物质在引力场中的性质，还需要进行实验。

想要验证反物质的性质难度极大，主要原因在于我们的世界中反物质粒子极其稀少。这当然是一件好事，反物质与普通物质相遇会发生湮灭。如果我们周围的反物质太多，太阳系也就不会存在了。当然，关于为什么我们观测到普通物质占绝大多数，反物质粒子这么稀少，至今仍然是一个物理学难题。由诺贝尔物理学奖得主丁肇中主导的“阿尔法磁谱仪”（Alpha Magnetic Spectrometer）项目的研究目标之一，就是探索宇宙中的反物质之谜。

想要真正验证反物质在引力场中的表现，首先需要制造出反物质。目前，只有欧洲核子中心（CERN）有能力通过粒子对撞制造出反物质供科学家进行实验。最近实验者们利用“反氢激光物理装置”（Antihydrogen Laser Physics Apparatus）进行了一次有关反物质重力的实验。通过高能量粒子的对撞，实验者们首先得到了带有正电荷的反电子和带有负电荷的反质子，由此便可以得到反氢原子，并且利用电磁场将这数千个反氢原子困在一个大约3米高的实验装置之中。

在这些反氢原子中，有一部分能量极大，运动速度极快。实验者首先打开装置，释放出这些能量过高的反氢原子。然后将实验装置内的温度降到极低——只比绝对零度高0.5摄氏度，进一步降低其余这些反氢原子的能量，之后便可以通过观测它们在没有电磁场存在的情况下究竟是向上还是向下移动，了解它们在引力场中的反应。问题在于，这些反氢原子的运动速度较快，很难清晰观测到引力作用对它们的影响。而且电磁场对它们的作用要远大于引力，如果操作不当就很容易得出错误的结论。经过仔细设计实验，统计实验数据，得出的实验结果显示，大部分反氢原子都会向实验装置的底部移动，只有大约四分之一的反氢原子向顶部移动。实验者们终于可以得出结论，反粒子在引力场中同样会受到引力作用，而非一些人所设想的斥力。2023年9月27日，多名实验人员共同在《自然》（Nature）杂志发表论文《关于反物质在引力作用下运动效应的观测》（“Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter”），报告了这个实验成果。

可以说，对于反物质的研究，涉及了物理学最基本的问题以及理解宇宙成长过程的关键。反物质之谜还远没有解开。之所以有人会认为引力对于反物质的效应可能会表现为斥力，是因为利用这个假设可以解释目前很多的未解之谜。例如，反物质究竟去哪儿了？根据物理学模型，在宇宙大爆炸时会产生出等量的物质和反物质，可是我们现在生活在普通物质世界，反物质显得极其稀少。即便是在宇宙观测中，人类没有发现过由反物质组成的星系或天体，也没有观测到普通物质与大量的反物质之间发生剧烈的湮灭现象。

如果假定反物质之间存在斥力，那么就可以解释为什么不存在反物质星系了。这些反物质粒子会因为彼此的斥力稀疏地分布在宇宙中。另外，甚至连无所不在的推动宇宙加速膨胀的“暗能量”（dark energy），都可能用相互排斥的反物质来解释。不过，既然实验已经证明，引力对于普通物质和反物质的效应相同，那么只能选择其他方式去解答诸多物理学谜题了。

这项实验也还没有完结。接下来，实验者们还会继续通过实验提高结果的精度。根据理论预测，反物质粒子与普通物质粒子所带的电荷相反，但是质量完全相同。目前已经证明了反物质在引力场中同样会受到吸引，但引力场对于反物质的强度和对于普通物质的强度是否完全一致？这就需要更加精细的实验进行验证了。要知道，如果测量显示重力对于普通物质和反物质的影响有任何的区别，就一定会成为物理学研究的一个重大突破。

[本文写作参考了《科学》（Science）和《自然》（Nature）的相关报道] 反物质