反物质是往下掉还是往上掉？我们现在有了明确的答案。

爱因斯坦提出广义相对论时并不知道反物质的存在，而广义相对论自此以来一直主导着我们对引力的理解。一个多世纪后，科学家们仍在争论引力如何影响反物质，反物质是存在于我们体内和周围的粒子的难以捉摸的镜像版本。换句话说，反物质液滴是往下落还是往上落？

物理学常识认为它应该向下坠落。广义相对论本身的一个原则，即弱等效原理，意味着引力不应该关心某物是物质还是反物质。与此同时，一小部分专家认为，反物质向上坠落可能解释了可能主宰我们宇宙的神秘暗能量。

事实上，粒子物理学家现在有了反物质坠落的第一个直接证据。反氢激光物理仪器（ALPHA）合作组织是一个设在 CERN 的国际团队，它首次测量了引力对反物质的影响。ALPHA 小组在《自然》杂志上发表了他们的研究成果 今天。

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宇宙中的每个粒子都有一个反物质反射，具有相同的质量和相反的电荷；反物质隐藏在自然界中，但几十年来一直在宇宙射线中被发现并用于医学成像。但实际上制造任何有意义的数量的反物质都是很棘手的，因为一旦物质粒子与其对抗粒子相遇，两者就会自毁为纯能量。因此，必须小心地将反物质与所有物质隔离开来，这使得丢弃它或以任何方式玩弄它都变得格外困难。

“反物质的一切都充满挑战，”丹麦奥胡斯大学物理学家、ALPHA 小组成员 Jeffrey Hangst 说道。“研究反物质真的很糟糕。”

更难的是，在原子和亚原子粒子的微观尺度上，引力极其微弱。早在 20 世纪 60 年代，物理学家就首次想到测量引力对正电子或反电子的影响，这些电子带正电荷而非负电荷。可惜的是，正电子的电荷也容易受到微小电场的影响，而电磁力则盖过了引力。

因此，为了正确测试引力对反物质的影响，研究人员需要一种中性粒子。加州大学伯克利分校物理学家、ALPHA 小组另一名成员乔尔·法扬斯 (Joel Fajans) 表示，唯一“视界内”的粒子是反氢原子。

反氢原子是反周期表中第一个也是最基本的元素。就像普通的氢原子由一个质子和一个电子组成一样，基本的反氢原子由一个带负电的反质子和一个绕轨道运行的正电子组成。物理学家直到 20 世纪 90 年代才创造出反氢原子；直到 2010 年，他们才能够捕获和储存一些反氢原子。

“我们必须学会如何制作它，然后我们必须学会如何握住它，然后我们必须学会如何与它互动等等，”汉斯特说。

克服这些障碍后，他们终于能够研究反氢原子的特性，比如它在重力下的行为。在这篇新论文中，ALPHA 团队设计了一个垂直真空室，围绕着一根没有任何物质的垂直管，以防止反氢原子过早湮灭。科学家将管子的一部分包裹在一个超导磁“瓶”内，形成一个磁场，将反氢原子锁定在原位，直到需要使用它为止。

建造这台设备耗时数年。“我们花了数百个小时研究磁场，完全没有使用反物质，以说服自己我们知道自己在做什么，”Hangst 说。为了产生足够强的磁场来容纳反氢，他们必须将设备保持在 -452 华氏度的低温下。

然后，ALPHA 团队调低磁场，打开瓶子的顶部和底部，让反氢原子自由移动，直到它们撞到管壁上。他们测量了原子死亡发生的位置：反物质被困住的位置上方或下方。大约 80% 的原子落在陷阱下方几厘米处，与普通氢原子云在相同装置中的表现一致。（另外 20% 则直接弹出。）

“做这个实验非常有趣，”Fajans 说。“人们已经思考这个问题一百年了……现在我们有了明确的答案。”

世界各地的其他研究人员现在也在尝试复制这一结果。他们的队伍中包括另外两个 CERN 合作机构 GBAR 和 AEgIS，它们也专注于反氢原子。ALPHA 团队希望对他们的实验进行修改，以对结果更有信心。

例如，当《自然》杂志的作者计算反氢原子在重力作用下向下加速的速度时，他们发现这是物理学家对普通氢原子的预期速度的 75%。但他们预计，当他们重复这些观察以找到更精确的结果时，这种差异会逐渐消失。“这个数字和这些不确定性基本上符合我们对实验中重力的最佳预期，”曼彻斯特大学物理学家、 ALPHA 小组另一名成员 William Bertsche 说。

但引力也可能以不同的方式影响物质和反物质。这种异常现象将使弱等效原理（以及整个广义相对论）受到质疑。

解决这个基本问题也可能带来更多关于宇宙诞生的答案。反物质是物理学未解之谜之一的核心：为什么我们没有看到更多的反物质？我们的物理定律明确规定，大爆炸应该产生相等的物质和反物质。如果是这样，我们宇宙的两半应该在诞生后不久就自我毁灭了。

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相反，我们观察到的宇宙充满了物质，却没有可辨别的反物质来平衡它。要么是大爆炸产生了无法解释的物质过剩，要么是发生了一些未知的事情。科学家将这个宇宙之谜称为重子生成问题。

“你在氢和反氢之间发现的任何差异对于重子生成问题来说都是极其重要的线索，”Fajans 说。