“反物质苹果也会坠落吗?”欧核中心首次观测到反氢原子自由下落

来源:观察者网

2023-09-28 16:17

(观察者网讯)“反物质苹果会像普通苹果一样坠落吗?”据英国《自然》杂志网站9月27日报道,欧洲核子研究组织(CERN)首次在实验室中观测到反氢原子在重力作用下自由下落。这项研究表明,反物质和普通物质受到相同的引力效应,与爱因斯坦广义相对论的预测相符。

报道称,CERN研究团队在实验室中制造了百余个反氢原子,并将这些反氢原子固定在垂直的ALPHA-g装置中。该装置建造于2018年,是一个反氢原子的磁阱,可以使反原子悬浮在磁场中,专门用于研究反原子的引力效应。

在实验过程中,研究人员逐渐减弱装置顶部和底部的磁场,使用传感器记录反氢原子与正常物质接触后湮灭的位置,通过观察反氢原子运动状态来推断引力的影响。根据计算机模拟结果,如果反氢原子与氢原子受到相同引力效应,这一操作应该导致约80%的原子从装置底部逃逸。

CERN在一份声明中说,对多次实验结果的平均计算显示,反氢原子从装置底部逃逸的比例与计算机模拟结果一致,反氢原子下落的加速度也与普通氢原子基本相同。这一结果表明,在当前实验的精度范围内,反物质与普通物质受到的引力相同。

研究反氢原子的ALPHA-g装置 图自CERN网站

《自然》杂志指出,根据爱因斯坦的广义相对论,所有物质不论内部结构有何差异,都会受到相同的引力作用。因此,由反质子和正电子组成的反原子应该和普通原子一样,在引力作用下以相同方式下落。但在过去几十年里,科学家始终没有条件直接观测这一现象。

论文合著者之一、美国加州大学伯克利分校物理学家乔纳森·沃特勒(Jonathan Wurtele)表示,实验结果并不让人感到惊讶,“但大多数科学家都会说,我们必须进行实验,否则我们永远不能确定结果。”

CERN的ALPHA-g团队负责人杰弗里·汉斯特(Jeffery Hangst)表示,研究团队的下一个目标是更加精确地测量反氢原子下落的重力加速度,“我们花了30年时间来研究如何制造、捕获和控制反原子……下一步,我们想确定反物质和正常物质是否真的以完全相同的方式下落。”

尽管广义相对论再次得到验证,但这次实验依然没有解决有关反物质的诸多谜团。英国《卫报》指出,现代宇宙大爆炸理论认为,大爆炸初期产生了等量的物质和反物质。它们本应该相互湮灭,但如今的宇宙中却充满了物质,反物质则极为罕见。

《卫报》称,此前有科学家猜测,反物质可能表现出反重力特性,这可能导致宇宙诞生初期的物质和反物质的空间分离。尽管该理论本就缺乏足够的依据,但CERN的实验进一步排除了这种可能性。

美国《纽约时报》提到,反粒子在科幻小说中颇为常见,常与反重力甚至时间倒流等概念联系起来。但论文的另一位合著者、加州大学伯克利分校物理学教授乔尔·法詹斯(Joel Fajans)直言,本就没有什么物理理论预测反物质具有反重力的特性,“天底下没这好事,我们没办法利用反物质实现悬浮。”

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责任编辑:陈思佳
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