《自然》重磅：反物质对引力的响应

反物质是由反粒子组成的物质，反粒子与普通粒子有相同的质量，但有相反的电荷和其他量子数。例如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。当普通粒子和反粒子相遇时，它们会相互湮灭，释放出大量的能量。

那么，反物质会受到引力的影响吗？这个问题在1928年狄拉克提出反物质的理论后就引起了人们的兴趣。根据广义相对论，引力不是一种力，而是由于时空的弯曲造成的。时空会被物质和能量弯曲，而弯曲的时空会影响物质和能量的运动。因此，引力应该对所有形式的能量都起作用，包括反物质。换句话说，引力也应该吸引反物质，而不是排斥它。但是，这个假设并没有得到实验上的验证。

在相对论中，有一个重要的原理叫做弱等效原理。它说的是，所有的物体在重力场中都以相同的加速度自由下落，不管它们的内部结构如何。这个原理可以用一个简单的实验来验证：如果你从比萨斜塔上同时扔下两个不同材料的球，它们会同时落到地面。这个实验最早是由伽利略在16世纪做过的（据说）。后来，人们用更精确的方法来测试等效原理，比如用摆钟、卫星、原子干涉仪等等。到目前为止，所有的实验结果都支持了等效原理。

但是，等效原理只在普通物质上被测试过，而没有在反物质上被测试过。反物质是不是也遵循等效原理呢？有些理论家认为，反物质应该和普通物质一样受到引力吸引。有些理论家则认为，如果反物质被引力排斥，那么可能会解释一些宇宙学上的谜团。

要想测试反物质受引力的影响，我们需要做一个类似于比萨斜塔的实验：让反物质自由下落，并观察它们下落的速度和方向。但是，这个实验并不容易做，因为反物质非常稀少和不稳定，在自然界中几乎找不到。我们只能在大型粒子加速器中人工制造一些反物质，并用复杂的装置来捕获和储存它们。而且，我们不能让反物质接触到任何普通物质，否则它们就会湮灭掉。

幸运的是，在欧洲核子研究中心有一个专门研究反氢原子（由一个反质子和一个正电子组成）的项目，叫做ALPHA。它们用一个强磁场来困住反氢原子，然后用激光来冷却它们，使它们的能量降低到可以被测量的程度。在这个项目中，科学家们做了一个非常巧妙的实验，来观察反氢原子的自由下落。

这个实验的原理是这样的：首先，科学家们在磁场中捕获了一些反氢原子，并用激光来冷却它们。然后，他们突然关闭了磁场，让反氢原子自由下落。在下落的过程中，反氢原子会经过一个叫做飞行时间谱仪（ToF）的装置，它可以测量反氢原子的位置和速度。最后，反氢原子会撞到一个叫做湮灭探测器（AD）的装置，它可以测量反氢原子湮灭时产生的粒子。

通过分析ToF和AD的数据，科学家们可以计算出反氢原子下落的加速度，并与普通物质的加速度进行比较。如果反物质被重力吸引，那么反氢原子的加速度应该和普通物质的加速度相同或相近。如果反物质被重力排斥，那么反氢原子的加速度应该和普通物质的加速度相反或不同。

这个实验做了多次，每次释放了几十个或几百个反氢原子，并收集了大量的数据。经过仔细地分析和统计，科学家们得出了一个令人振奋的结果：反氢原子确实是被重力吸引的，并且它们下落的加速度和普通物质的加速度没有明显的差异。这个结果表明，等效原理在反物质上也成立。

当然，这个实验还有一些不足之处。首先，它只测量了一种反物质——反氢原子。我们不知道其他类型的反物质是否也有相同的行为。其次，它只测量了重力对反物质运动的平均效应，并没有考虑到其他可能影响运动的因素，比如电磁场、温度、压强等等。第三，它只达到了一定程度的精确度，并没有排除掉一些微小但有意义的差异。例如，有些理论家认为，重力对物质和反物质可能有一个很小但不为零的差别。

因此，这个实验只是一个开端，并不是一个终点。它为我们提供了一个新的方法和平台来探索重力和反物质之间的关系，并激发了我们进一步提高精确度和扩大范围的愿望。我们希望，在未来，我们能够用更多更好的实验来验证或推翻等效于哪里，并且找到一种能够将相对论和量子力学统一起来的理论。