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研究證明反物質對引力的反應與物質無異

研究證明反物質對引力的反應與物質無異

2023-09-28 Comments 0 Comment

近一個世紀以來,反物質一直令物理學家感到好奇和困惑,而重力對反物質的影響一直是個分歧點。新的研究發現,反氫原子(氫的反物質對應物)受引力的影響與其物質對應物相同,排除了存在排斥性”反引力”的可能性,從而可能解決了這一爭論。

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十七世紀,艾薩克-牛頓在觀看了蘋果從樹上掉落的過程後,提出了他的萬有引力理論。幾個世紀後,阿爾伯特-愛因斯坦提出了廣義相對論,該理論至今仍是對萬有引力最成功、最經得起檢驗的描述。然而,反物質卻不為愛因斯坦所知。

1928 年,英國物理學家保羅-狄拉克(Paul Dirac)提出理論,認為每種粒子都存在相應的反粒子,並預言了正電子(或反電子)的存在。從那時起,關於引力和反物質之間的相互作用就有了很多猜測,有人認為反物質被引力排斥,也有人認為它被引力所吸引。

歐洲核子研究中心(CERN)的反氫雷射物理裝置(ALPHA)合作組織的一項新研究可能已經解決了這一爭論,該研究發現反氫原子(氫的反物質對應物)落到地球上的方式與其物質對應物相同。

這項研究的通訊作者杰弗裡-杭斯特(Jeffrey Hangst)說:”在物理學中,只有通過觀察才能真正了解某些東西。這是首次直接觀察到引力對反物質運動影響的實驗。這是反物質研究中的一個里程碑,由於反物質在宇宙中明顯不存在,它仍然讓我們感到神秘。”

ALPHA 實驗涉及在捕獲裝置中製造、捕獲和研究反氫原子。反氫原子是電中性和穩定的反物質粒子,因此非常適合研究反物質的引力行為。反氫是由反質子和正子這兩種反粒子組合而成的。反質子是一種亞原子粒子,質量與質子相同,但帶有負電荷。

ALPHA團隊最近建造了一個名為ALPHA-g的垂直儀器,其中的”g”表示當地的重力加速度,對於物質而言,重力加速度為32.2英尺/秒2(9.81米/秒2)。ALPHA-g 可以測量反氫原子與相應物質相遇時的垂直位置–這個過程被稱為湮滅–一旦捕獲器的磁場關閉,原子就會逃逸。

研究人員每次捕獲一組約100 個反氫原子。然後,他們透過逐漸減小頂部和底部捕獲器磁鐵中的電流,在20 秒內緩慢釋放原子。根據電腦模擬預測,20% 的原子將從陷阱頂部釋放,80% 的原子將從底部釋放,這一差異是由重力向下效應造成的。研究人員對七次釋放試驗的結果進行了平均,發現反原子從頂部和底部流出的比例與模擬結果一致。也就是說,反氫原子的下落方式與氫原子在1克(即正常重力)下的下落方式相同。

利用ALPHA-g 儀器,研究人員有效地重現了伽利略著名的重力實驗。根據傳說,這位義大利科學家從比薩斜塔頂端投下不同重量的鐵球,它們同時落地,這表明重力會使不同質量的物體以相同的加速度下落。

研究人員表示,他們的發現排除了存在排斥性”反引力”的可能性,但目前的研究僅僅標誌著對反物質引力性質進行詳細、直接研究的開始。

Hangst 說:”我們花了30 年的時間才學會如何製造這種反原子,如何抓住它,以及如何很好地控制它,以至於我們能夠以一種讓它對引力敏感的方式將它實際投放下去。下一步是盡可能精確地測量加速度。我們想測試物質和反物質是否真的以同樣的方式墜落。”

這項研究發表在《自然》雜誌上,在下面這段由歐洲核子研究中心製作的影片中,傑弗裡-杭斯特解釋了ALPHA-g的工作原理、反物質引力實驗的原因和結果。

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