欧洲核子研究中心具有里程碑意义的实验可能有助于解释为什么反物质似乎在早期宇宙中落败了。如果你把反物质扔下去，它会往下掉还是往上升？在一项独特的实验室实验中，研究人员现在观测到了单个反氢原子向下运动的轨迹，从而给出了明确的答案：反物质向下坠落。
这幅图显示了反氢原子在磁阱内坠落并湮灭的过程，该磁阱是欧洲核子研究中心 ALPHA-g 实验的一部分，旨在测量引力对反物质的影响。图片来源：美国国家科学基金会
在证实反物质和常规物质具有引力吸引力的同时，这一发现也排除了引力斥力作为反物质在可观测宇宙中基本缺失的原因。
瑞士欧洲核子研究中心国际反氢激光物理装置（ALPHA）合作项目的研究人员今天在《自然》杂志上发表了他们的发现。
"ALPHA 合作的成功证明了跨大洲和科学界团队合作的重要性，"美国国家科学基金会物理部项目主任 Vyacheslav"Slava"Lukin 说。"了解反物质的性质不仅能帮助我们了解宇宙是如何形成的，还能促成前所未有的创新--比如正电子发射断层扫描（PET），通过应用我们对反物质的了解来检测体内的癌症肿瘤，从而挽救了许多人的生命。"
反氢激光物理装置（ALPHA）合作项目是一个国际小组，该小组在欧洲核子研究中心利用反氢原子了解物质和反物质之间的基本对称性。研究人员宣布了一项旨在了解引力对反物质影响的实验的突破性成果。图片来源：美国国家科学基金会
物质难以捉摸的易变双胞胎
除了《星际迷航》中想象的以反物质为燃料的曲速驱动器和光子鱼雷之外，反物质是完全真实的，但却神秘地稀缺。
美国加州大学伯克利分校等离子体物理学家、ALPHA 协作成员乔纳森-沃特尔（Jonathan Wurtele）说："爱因斯坦的广义相对论认为，反物质的行为应该与物质完全相同。"许多间接测量结果表明，引力与反物质的相互作用符合预期。"但在今天的结果之前，还没有人真正进行过直接观测，以排除反氢气在引力场中向上运动而不是向下运动等可能性。"
我们的身体、地球以及科学家们所知的宇宙中的大多数其他东西，绝大多数都是由质子、中子和电子组成的常规物质构成的，比如氧原子、碳原子、铁原子以及元素周期表中的其他元素。
另一方面，反物质是普通物质的孪生兄弟，尽管具有一些相反的性质。例如，反质子带有负电荷，而质子带有正电荷。反电子（又称正电子）带正电，而电子带负电。
凯文-琼斯（Kevin M. Jones）是美国国家科学基金会物理部的项目经理，也是威廉姆斯学院的威廉-爱德华-麦克尔弗莱什物理学名誉教授，他简要介绍了什么是反物质以及研究反物质的总体价值。资料来源：美国国家科学基金会
然而，对于实验人员来说，也许最具挑战性的是，"只要反物质一接触物质，它就会爆炸，"ALPHA 合作成员、加州大学伯克利分校等离子体物理学家乔尔-法扬斯（Joel Fajans）说。
物质和反物质的结合质量在反应中完全转化为能量，这种反应如此强烈，科学家称之为湮灭。
对于给定的质量，这种湮灭是我们所知的最密集的能量释放形式。但是，ALPHA 实验中使用的反物质量非常小，只有敏感的探测器才能感知反物质/物质湮灭产生的能量。因此我们必须非常小心地操纵反物质，否则就会失去它。
ALPHA-g 设备磁阱中的反氢原子概念图。当磁阱顶部和底部的磁场强度减弱时，反氢原子就会逃逸出来，接触磁阱壁并发生湮灭。大部分湮灭发生在腔室下方，这表明重力正在将反氢原子向下拉。动画中旋转的磁场线表示磁场对反氢原子的无形影响。在实际实验中，磁场并不旋转。资料来源：Keyi"Onyx"Li/美国国家科学基金会
投掷“反物质炸弹”
沃特尔说："广义地说，我们正在制造反物质，我们正在做比萨斜塔式的实验。"他指的是他们实验中更简单的智力祖先--伽利略在 16 世纪进行的实验（也许是寓言式的），该实验证明了两个同时掉落的体积相似但质量不同的物体具有相同的重力加速度。"我们让反物质运动，看看它是上升还是下降"。
在 ALPHA 实验中，反氢气被装在一个高大的圆柱形真空室中，该真空室带有一个名为 ALPHA-g 的可变磁阱。科学家们降低了磁阱顶部和底部磁场的强度，直到反氢原子能够逃逸，并且相对较弱的重力影响变得明显。
当每个反氢原子逃出磁阱时，都会触及磁阱上方或下方的腔壁，然后湮灭，科学家们可以检测并计数。
研究人员重复了十几次实验，改变了磁阱顶部和底部的磁场强度，以排除可能的误差。他们观察到，当被削弱的磁场在顶部和底部精确平衡时，约有 80% 的反氢原子在陷阱下方湮灭--这一结果与普通氢云在相同条件下的表现一致。
因此，引力导致反氢原子向下坠落。
物质/反物质之谜
尽管反物质的来源并不多--比如钾衰变时发射的正电子，甚至在香蕉中也有反物质--但科学家在宇宙中并没有看到太多的反物质。然而，物理定律预测反物质的存在数量应该与普通物质大致相同。科学家将这一难题称为重生成问题。
一种可能的解释是，在宇宙大爆炸过程中，反物质受到了普通物质的引力排斥，但新发现表明，这一理论似乎不再可信。
沃特尔说："我们已经排除了反物质被引力排斥而非吸引的可能性。他补充说，这并不意味着反物质受到的引力没有差异。只有更精确的测量才能证明这一点。"
ALPHA 合作项目的研究人员将继续探索反氢的本质。除了改进对引力效应的测量，他们还在通过光谱学研究反氢如何与电磁辐射相互作用。
如果反氢在某种程度上不同于氢，那将是一件革命性的事情，因为量子力学和引力的物理定律都认为反氢的行为应该是相同的。然而只有做了实验才能知道。
