科學家們首次觀察到反物質粒子在引力作用下墜落——這種現象在理論上早已被提出，但此前從未被觀察到。
結果表明，反物質與引力的相互作用方式與普通物質相同。這與阿爾伯特·愛因斯坦在他的廣義相對論中提出的觀點相符——廣義相對論是我們擁有的關於引力的最佳理論。然而，收集足夠的證據來證明這一點，花費了大約三十年的精心準備，以構建必要的真實世界實驗。
“在觀察到之前，你真的什麼都不知道，”傑弗裡·漢斯特說，他是位於日內瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）的 ALPHA（反氫雷射物理裝置）實驗的發言人。他補充說，對於那些涉及引力和反物質相互作用的領域來說尤其如此，這兩個領域都是理論物理學中最令人捉摸不定的主題。“如果可以的話，這是你道德上有義務去測量的東西，”漢斯特說。
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愛因斯坦的廣義相對論在量子尺度上失效，這表明它是不完整的。然而，研究人員在他們跨越幾代人的尋求構建更優越的量子引力理論的努力中仍然感到困惑。反物質正處於宇宙中最大的謎團之一的核心。
反物質與普通物質相同，但電荷相反。例如，帶負電的電子的反物質對應物是正電子，它具有相同的質量和自旋，但帶正電而不是負電。當反物質粒子及其物質對應物相遇時，它們會相互湮滅。根據物理學的標準模型，宇宙大爆炸應該產生了等量的物質和反物質。然而，如果真是這樣，那麼現在應該什麼都不存在：所有的反物質和物質粒子應該已經相互湮滅了。相反，今天的宇宙幾乎完全是物質構成的，反物質只在放射性衰變或宇宙射線碰撞中罕見地出現。物理學家認為，一定存在某種原始的不平衡，使得物質在宇宙中佔據主導地位，但其原因和方式仍然是未解之謎。
“任何你能用反物質做的事情，都必須去做，看看它有什麼問題，”漢斯特說，“如果有的話。”
反物質在物質存在下的揮發性為研究它帶來了難題。ALPHA 合作的科學家們首先在“反物質工廠”——歐洲核子研究中心一個名為反質子減速器的高速粒子對撞機中製造帶負電的反質子（質子的反物質版本）。然後，他們從放射源中收集帶正電的正電子，將這些反物質粒子一起捕獲在真空中，以遮蔽它們免受正常物質的影響。反質子和正電子相互吸引，形成中性帶電的反氫原子，即氫的反物質版本。中性電荷很重要，因為引力是一種弱力。試圖測量引力對帶電粒子的拉力是徒勞的，因為實際上不可能消除會扭曲結果的環境電場。
在超低溫下，反氫原子透過電磁場被引導到一個稱為 ALPHA-g 的垂直阱中，這有點像原子版本的室內跳傘隧道。在這裡，研究人員可以系統地釋放反氫分子，測量有多少分子掉落並從阱的底部逸出後湮滅，以及有多少分子從頂部逸出。原子必須是冷的——略高於絕對零度——因為熱量會上升。正如電場可以壓倒微弱的引力一樣，一個孤獨原子的熱量也可以。
對於普通氫，研究人員計算出 80% 的原子應該會掉落，而 20% 的原子應該會逃脫引力的束縛，從阱的頂部逸出。如果愛因斯坦是正確的，即反物質和物質以相同的方式與引力相互作用，那麼反氫也應該保持相同的比例。
事實確實如此。在實驗的誤差範圍內，研究人員無法檢測到反氫和氫之間存在引力差異。
“他們首次測量到，反氫像氫一樣向下墜落，”蘇黎世聯邦理工學院的物理學家安娜·索特說，她沒有參與 ALPHA 合作，但審閱了這篇新論文，並撰寫了一篇隨附的文章。這項研究和索特的文章今天都發表在《自然》雜誌上。
然後，ALPHA 團隊透過將 ALPHA-g 阱中的磁力調整到不同的強度，進一步推進了實驗，這些強度將對抗引力或與引力協同作用，以向上推動反氫原子或迫使它們更快地向下運動。在這裡，研究人員再次看到反物質粒子的行為方式與普通物質相同。
索特說，該實驗的精度不足以確定反物質與物質的引力之間絕對沒有差異，儘管也沒有理論理由認為存在這種差異。她說，進行更精確的進一步實驗非常重要。
漢斯特說，這些後續工作已經在計劃中，最早可能在明年開始。一個直接的步驟是使用雷射冷卻使反氫原子更冷，從而相應地提高 ALPHA 對引力效應的靈敏度。“有很多工作要做，”他說，“但我們正在順利進行。”