新實驗證實，反物質沒什么問題

編譯 劉牛

工作人員正在安裝一個包含反氫的磁場裝置，它是CERN反氫激光物理儀器的一部分

反物質剛剛失去了一點魅力

物理學家知道，對于自然界中的每一種基本粒子，都存在一種反粒子——一個具有相同質量和自旋，但帶有相等且相反電荷的“邪惡孿生體”。當這些孿生粒子對相遇時，它們會相互湮滅，在接觸時釋放一道能量閃光。

在科幻小說中，反粒子能為曲速引擎提供動力。一些物理學家已經在推測，反粒子正在被引力排斥，甚至在時間中穿越旅行。

歐洲核子研究中心（CERN）的一項新實驗將一部分猜想帶回到現實。實驗表明，在引力場中，反粒子就像我們其他人一樣會下落。“最重要的是，沒有免費的午餐，我們無法利用反物質飄浮起來。”加州大學伯克利分校的喬爾 · 法揚斯（Joel Fajans）說道。

法揚斯博士是國際反氫激光物理儀器（ALPHA）合作組織的成員。這一組織設在CERN，由丹麥奧胡斯大學的粒子物理學家杰弗里 · 杭斯特（Jeffrey Hangst）主持。

法揚斯博士和他的同事們收集了約100個反氫原子，并將它們懸浮在磁場中。當磁場強度緩慢減弱時，反氫原子就像十月的楓葉一樣飄落，并且下落的加速度，或者說重力加速度，和普通原子相同，約為9.8 m/s2。他們周三在《自然》雜志上發表了結果。

幾乎沒有物理學家對這一結果感到驚訝。根據愛因斯坦的廣義相對論，物質和能量的所有形式對引力的響應都是相同的。“如果你走在物理系的走廊上，詢問物理學家，他們可能所有人都會說這一結果一點也不令人意外。” 加州大學伯克利分校的物理學家喬納森 · 沃特爾（Jonathan Wurtele）在大學發布的一份聲明中說道。正是他在十年前首次向法揚斯博士建議了這個實驗。“這就是現實。”沃特爾博士說。

他補充道：“但他們大多數人也會說，這個實驗必須要進行，因為你永遠無法確定結果到底是什么，相反的結果將有重大的影響。”

鏡像世界

1928年，在自然界遵循數學的最令人驚訝的例子之一中，物理學家保羅 · 狄拉克（Paul Dirac）發現，描述電子的量子力學方程有兩個解。在一個解中，電子（這種粒子是化學和電學的主要工具）帶負電荷。在另一個解中，粒子則帶正電荷。

那種粒子是什么？狄拉克認為它是質子，但后來因原子彈而聞名的羅伯特 · 奧本海默（Robert Oppenheimer）提出，它是一種全新的粒子：正電子。正電子質量和自旋與電子相同但帶有正電荷。兩年后，加州理工學院的卡爾 · 安德森（Carl Anderson）在宇宙線簇射中探測到了正電子，這一發現為他贏得了諾貝爾物理學獎。

反物質的魅力由此而生。在原子核中占主導地位的帶正電質子，與帶負電的反質子相對應。反電子被稱為正電子。同樣位于原子核中的中子有反中子。組成質子的夸克也有反夸克，諸如此類。

理論上，可能存在由反生物居住的整個反世界。有這樣一個笑話，如果你遇上了你的反自己，那個人會伸出左手來握手，但你最好不要接受，否則你們倆都會爆炸。

對于科學家而言，反物質的激動人心之處不僅僅在于補充命名怪異的粒子名單。對他們來說，研究反氫原子是檢驗一些關于自然界最深層假設的第一步。這些假設認為，反物質在外觀和行為上應當與普通物質完全相同。

在過去的20年里，來自ALPHA小組的科學家一直在CERN收集反物質。他們從CERN質子同步加速器的碰撞中抽取高能反質子，并將它們從光速減速到每秒數百米的速度，溫度降到約絕對零度以上15度。之后，將反質子與由放射性鈉衰變產生的反電子（或正電子）云混合在一個由電場控制的所謂混合勢阱中。

普通氫是宇宙中最簡單和最豐富的元素，它由一個帶正電的質子和一個帶負電的電子組成。ALPHA實驗生成了數個反氫原子：原子核是一個反質子，一個正電子圍繞著它。

2002年，杭斯特博士報告稱，這些反氫原子在與普通氫原子相同的頻率和波長上發射和吸收光，正如愛因斯坦所預言的那樣。法揚斯博士說，從那以后，許多實驗都間接但強烈地表明反物質也正常地受到引力作用。但是這些實驗并沒有定論，因為引力比用于操控反原子的電磁場強度的十萬億分之一還要弱。

瓶中的反物質信息

在最新的實驗中，反氫原子被束縛在一個約25厘米長的金屬容器內的磁場中。由于反氫原子像氫原子一樣攜帶著它們自身微弱的磁場，它們會從這個瓶子的內壁反彈。

可以通過調節磁場來抗衡引力，使得反氫原子懸浮于瓶子中。在實驗中，當磁場強度緩慢減弱時，反氫原子們最終逃離了磁場，并在瓶子內壁上自我湮滅，化成一道閃光。據統計分析，約80%的閃光發生在瓶子內壁的下方。這表明，引力通常會將反原子往下拉，就像它對普通物質所做的那樣。

任何違背氫和反氫之間預期對稱性的結果都會撼動物理學的核心。

沃特爾博士說，那還沒有發生，這個實驗首次完成了對中性反物質所受引力作用的直接測量，這是發展中性反物質科學領域的又一步。

但是，這一結果留下了另一個謎題。根據相對論和量子力學——兩個都能描述宇宙但似乎相互矛盾的理論——宇宙大爆炸本應該產生相同數量的物質和反物質，它們本應該在很早以前就相互湮滅了。

然而，我們的宇宙全是物質，除了宇宙射線簇和粒子對撞機碰撞的產物之外，找不到一點反物質微粒。那么，究竟發生了什么？為什么宇宙包含了一些物質而非什么都沒有？這個問題已經被關注了近一個世紀之久。

三年前，日本的一項涉及奇異粒子中微子的實驗宣稱，中微子可能是理解宇宙不平衡的一條線索。在大型強子對撞機上，有一整套儀器，被稱為LHCb，致力于搜尋任何可能改變宇宙平衡的物質與反物質之間的差異。

當被問及ALPHA實驗的結果能否給LHCb團隊提供任何見解時，沃特爾博士說：“由于我們的答案與正常引力一致，我不認為它能給出任何線索，這很不幸。”這是表達我們仍不知道我們為何出現在這里的另一種方式。

資料來源TheNewYorkTimes