歐洲核子研究中心具有里程碑意義的實驗可能有助於解釋為什麼反物質似乎在早期宇宙中落敗了。如果你把反物質丟下去，它會往下掉還是往上升？在一項獨特的實驗室實驗中，研究人員現在觀測到了單一反氫原子向下運動的軌跡，從而給出了明確的答案：反物質向下墜落。

這張圖顯示了反氫原子在磁阱內墜落並湮滅的過程，該磁阱是歐洲核子研究中心ALPHA-g 實驗的一部分，旨在測量重力對反物質的影響。圖片來源：美國國家科學基金會

在證實反物質和常規物質具有引力吸引力的同時，這項發現也排除了引力斥力作為反物質在可觀測宇宙中基本上缺失的原因。

瑞士歐洲核子研究中心國際反氫雷射物理裝置（ALPHA）合作計畫的研究人員今天在《自然》雜誌上發表了他們的研究結果。

“ALPHA 合作的成功證明了跨大洲和科學界團隊合作的重要性，”美國國家科學基金會物理部計畫主任Vyacheslav”Slava”Lukin 說。”了解反物質的性質不僅能幫助我們了解宇宙是如何形成的，還能促成前所未有的創新–例如正子斷層掃描（PET），透過應用我們對反物質的了解來檢測體內的癌症腫瘤，從而挽救了許多人的生命。”

反氫雷射物理裝置（ALPHA）合作計畫是一個國際小組，該小組在歐洲核子研究中心利用反氫原子來了解物質和反物質之間的基本對稱性。研究人員宣布了一項旨在了解重力對反物質影響的實驗的突破性成果。圖片來源：美國國家科學基金會

物質難以捉摸的易變雙胞胎

除了《星際爭霸戰》中想像的以反物質為燃料的曲速驅動器和光子魚雷之外，反物質是完全真實的，但卻神秘地稀缺。

美國加州大學柏克萊分校等離子體物理學家、ALPHA 協作成員喬納森-沃特爾（Jonathan Wurtele）說：「愛因斯坦的廣義相對論認為，反物質的行為應該與物質完全相同。」許多間接測量結果表明，引力與反物質的相互作用符合預期。”但在今天的結果之前，還沒有人真正進行過直接觀測，以排除反氫氣在引力場中向上運動而不是向下運動等可能性。”

我們的身體、地球以及科學家所知的宇宙中的大多數其他東西，絕大多數都是由質子、中子和電子組成的常規物質構成的，例如氧原子、碳原子、鐵原子以及元素週期表中的其他元素。

另一方面，反物質是普通物質的孿生兄弟，儘管具有一些相反的性質。例如，反質子帶有負電荷，而質子帶有正電荷。反電子（又稱正電子）帶正電，而電子帶負電。

凱文瓊斯（Kevin M. Jones）是美國國家科學基金會物理部的專案經理，也是威廉斯學院的威廉-愛德華-麥克爾弗萊什物理學名譽教授，他簡要介紹了什麼是反物質以及研究反物質的總體價值。資料來源：美國國家科學基金會

然而，對於實驗人員來說，也許最具挑戰性的是，”只要反物質一接觸物質，它就會爆炸，”ALPHA 合作成員、加州大學柏克萊分校等離子體物理學家喬爾-法揚斯（Joel Fajans）說。

物質和反物質的結合質量在反應中完全轉化為能量，這種反應如此強烈，科學家稱之為湮滅。

對於給定的質量，這種湮滅是我們所知的最密集的能量釋放形式。但是，ALPHA 實驗中使用的反物質量非常小，只有敏感的偵測器才能感知反物質/物質湮滅產生的能量。因此我們必須非常小心地操縱反物質，否則就會失去它。

ALPHA-g 設備磁阱中的反氫原子概念圖。當磁阱頂部和底部的磁場強度減弱時，反氫原子就會逃逸出來，接觸到磁阱壁並發生湮滅。大部分湮滅發生在腔室下方，這表明重力正在將反氫原子向下拉。動畫中旋轉的磁場線表示磁場對反氫原子的無形影響。在實際實驗中，磁場並不旋轉。資料來源：Keyi”Onyx”Li/美國國家科學基金會

投擲“反物質炸彈”

沃特爾說：「廣義地說，我們正在製造反物質，我們正在做比薩斜塔式的實驗。」他指的是他們實驗中更簡單的智力祖先–伽利略在16 世紀進行的實驗（也許是寓言式的），該實驗證明了兩個同時掉落的體積相似但質量不同的物體具有相同的重力加速度。”我們讓反物質運動，看看它是上升還是下降”。

在ALPHA 實驗中，反氫氣被裝在一個高大的圓柱形真空室中，該真空室帶有一個名為ALPHA-g 的可變磁阱。科學家降低了磁阱頂部和底部磁場的強度，直到反氫原子能夠逃逸，並且相對較弱的重力影響變得明顯。

當每個反氫原子逃出磁阱時，都會觸及磁阱上方或下方的腔壁，然後湮滅，科學家可以偵測並計數。

研究人員重複了十幾次實驗，改變了磁阱頂部和底部的磁場強度，以排除可能的誤差。他們觀察到，當被削弱的磁場在頂部和底部精確平衡時，約有80% 的反氫原子在陷阱下方湮滅–這一結果與普通氫雲在相同條件下的表現一致。

因此，引力導致反氫原子向下墜落。

物質/反物質之謎

儘管反物質的來源不多–例如鉀衰變時發射的正電子，甚至在香蕉中也有反物質–但科學家在宇宙中並沒有看到太多的反物質。然而，物理定律預測反物質的存在數量應該與普通物質大致相同。科學家將這難題稱為重生成問題。

一個可能的解釋是，在宇宙大爆炸過程中，反物質受到了普通物質的引力排斥，但新發現表明，這個理論似乎不再可信。

沃特爾說：”我們已經排除了反物質被引力排斥而非吸引的可能性。他補充說，這並不意味著反物質受到的引力沒有差異。只有更精確的測量才能證明這一點。”

ALPHA 合作計畫的研究人員將繼續探索反氫的本質。除了改進引力效應的測量，他們還在透過光譜學研究反氫如何與電磁輻射相互作用。

如果反氫在某種程度上不同於氫，那將是一件革命性的事情，因為量子力學和重力的物理定律都認為反氫的行為應該是相同的。然而只有做了實驗才能知道。