对于那些仍然抱有希望的人来说，反物质会像普通物质一样悬浮在引力场中，而不是下落，但一项新实验的结果是一剂冷酷的现实。
研究反氢(一种与反电子或正电子配对的反质子)的物理学家已经得出结论，重力会将其向下拉，而不是将其向上推。
至少对于反物质来说，反重力是不存在的。
代表瑞士日内瓦欧洲核研究中心(CERN)反氢激光物理装置(ALPHA)合作的团队在9月28日出版的《自然》杂志上报道了实验结果。
该团队得出的反物质重力加速度接近地球上正常物质的重力加速度：1g，即每秒9.8米(每秒32英尺)。更准确地说，它被发现在正常重力的25%(一个标准差)范围内。
加州大学伯克利分校物理学教授乔尔·法詹斯(JoelFajans)表示：“它肯定会向下加速，而且与正常速度加速的速度相差一个标准差。”十多年前，他与同事、理论家乔纳森·沃特勒(JonathanWurtele)首次提出了这项实验。。“最重要的是，世界上没有免费的午餐，我们无法利用反物质来悬浮。”
这个结果不会让大多数物理学家感到惊讶。阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论虽然是在1932年发现反物质之前提出的，但它对所有物质都一视同仁，这意味着反物质和物质对引力的反应是相同的。所有正常物质，例如质子、中子和电子，都具有带有相反电荷的反粒子，当它们遇到正常物质对应物时，就会完全湮灭。
加州大学伯克利分校物理学教授沃特勒说：“相反的结果将产生重大影响;它将与爱因斯坦广义相对论的弱等效原理不一致。”“这个实验是第一次直接测量中性反物质的重力。这是发展中性反物质科学领域的又一步。”
法詹斯指出，没有任何物理理论实际上预测重力应该对反物质具有排斥力。一些物理学家声称，如果是这样，你就可以创造出永动机，这在理论上是不可能的。
尽管如此，反物质和物质可能受到引力不同影响的想法很有吸引力，因为它可能解释一些宇宙难题。例如，它可能导致早期宇宙中物质和反物质的空间分离，解释了为什么我们在周围的宇宙中只看到少量的反物质。大多数理论预测，在诞生宇宙的大爆炸期间应该产生等量的物质和反物质。
艺术家对从ALPHA-g装置磁阱底部掉出的反氢原子的概念渲染。当反氢原子逸出时，它们接触室壁并湮灭。大多数湮灭发生在舱室下方，表明重力正在将反氢物质向下拉。动画中的旋转磁力线代表了磁场对反氢的无形影响。实际实验中磁场并不旋转。图片来源：Keyi"Onyx"Li/美国国家科学基金会
重力极其微弱
根据法詹斯的说法，已经有很多间接的实验强烈表明反物质具有正常的引力，但这些实验相对微妙。
“你可能会问，为什么不做一个明显的实验并扔下一块反物质，就像比萨斜塔实验一样?你知道，伽利略实际上并没有做过这个实验——这是杜撰的——据说他在那里丢下了一条线索他说：“我们从塔顶发射了一个球和一个木球，并证明它们同时到达了地面。”
“真正的问题是，与电力相比，引力非常弱，”法詹斯补充道。“到目前为止，事实证明，用带电粒子(如裸露的正电子)进行滴式测量直接测量重力是不可能的，因为任何杂散电场都会使粒子偏转，其程度远远大于重力。”
事实上，引力是已知的四种自然力中最弱的。它主宰着宇宙的演化，因为从理论上讲，所有物质都在遥远的距离上受到它的影响。但对于一小块反物质来说，其影响微乎其微。1伏/米的电场对反质子施加的力大约是地球对其施加的重力的40万亿倍。
CERN的ALPHA合作向Wurtele提出了一种新方法。到2010年，ALPHA团队捕获了大量的反氢原子，2011年，Wurtele向Fajans坚持认为，由于反氢原子是电荷中性的，它不会受到电场的影响，他们应该探索重力测量的可能性。
几个月来，法詹斯一直拒绝接受这个想法，但最终被说服认真对待它，并进行了一些模拟，结果表明沃特勒的想法是有价值的。加州大学伯克利分校讲师安德鲁·查曼和博士后研究员安德烈·日莫吉诺夫参与其中，并意识到对先前数据的回顾性分析可以为反物质与地球的引力相互作用提供非常粗略的限制。
在他们的ALPHA同事的帮助下，他们发表了一篇论文，得出的结论是，与普通物质相比，反氢因地球引力而受到的加速度(向上或向下)不超过100倍。
尽管如此，这个平淡的开始还是说服了ALPHA团队进行实验以进行更精确的测量。2016年，双方合作开始构建新实验ALPHA-g，并于2022年夏季和秋季进行了首次测量。
《自然》杂志上发表的结果基于该团队去年观察到的模拟和统计分析，并将反物质的引力常数定为0.75±0.13±0.16g，或者，如果将统计误差和系统误差结合起来，则为0.75±0.29g，误差范围在1g以内。研究小组得出的结论是，引力排斥反物质的可能性很小，毫无意义。
加州大学伯克利分校博士后研究员DanielleHodgkinson(右)在瑞士欧洲核子研究中心的控制室进行ALPHA-g实验。图片来源：JoelFajans，加州大学伯克利分校
法詹斯和沃特勒说，至少有十几名加州大学伯克利分校物理专业的本科生参与了实验的组装和运行，其中许多人来自物理学领域没有很好代表性的群体。
“这对许多伯克利本科生来说是一个很好的机会，”法詹斯说。“它们是有趣的实验，我们的学生学到了很多东西。”
平衡
Wurtele和Fajans提出的ALPHA-g计划是将大约100个反氢原子一次限制在一个25厘米长的磁瓶中。ALPHA只能限制温度高于绝对零(即0.5开尔文)不到半度的反氢原子。
即使在如此低的温度下，反原子仍以平均每秒100米的速度移动，每秒在瓶子两端的强磁场中弹跳数百次。(反氢原子的磁偶极矩被瓶子两端的10,000高斯收缩磁场排斥。)
如果瓶子垂直放置，则向下移动的原子将因重力而加速，而向上移动的原子将减速。当两端的磁场相同(即平衡)时，向下移动的原子平均将具有更多的能量。因此，它们更有可能通过磁镜逃逸并撞击容器，在闪光中湮灭并产生三到五个介子。检测π介子以确定反原子是向上还是向下逃逸。
法詹斯说，该实验就像一个标准天平，用于比较非常相似的重量。磁天平可以在存在大得多的磁力的情况下使相对微小的重力可见，这与普通天平使1千克和1.001千克之间的差异可见一样。
然后镜子磁场非常缓慢地减弱，以便所有原子最终逃逸。如果反物质的行为与正常物质一样，那么更多的反原子(大约80%)应该从底部逸出，而不是从顶部逸出。
“这种平衡让我们忽略了反原子都具有不同能量的事实，”法詹斯说。“能量最低的原子最后逃逸，但它们仍然受到平衡的影响，并且所有反原子的重力效应都会增强。”
实验装置还允许ALPHA使底部磁镜比顶部磁镜更强或更弱，这使每个反原子的能量增加，可以抵消或克服重力的影响，从而允许相同或更多数量的反原子从顶部出来比底部。
“这给了我们一个强大的实验旋钮，基本上让我们相信实验确实有效，因为我们可以向自己证明我们可以以可预测的方式控制实验，”法詹斯说。
由于存在许多未知因素，结果必须进行统计处理：研究人员无法确定他们捕获了多少反氢原子，他们无法确定他们检测到了每一次湮灭，他们无法确定是否存在一些反氢原子。未知的磁场会影响反原子轨迹，而且他们无法确定是否正确测量了瓶子中的磁场。
“阿尔法模拟实验的计算机代码可能会出现微妙的错误，因为我们不知道反氢原子的精确初始条件，它可能是错误的，因为我们的磁场不正确，而且对于一些未知的未知物来说，它可能是错误的，”沃特勒说道。“尽管如此，通过调节平衡旋钮提供的控制让我们能够探索任何差异的程度，让我们相信我们的结果是正确的。”
加州大学伯克利分校的物理学家希望即将对ALPHA-g和计算机代码进行的改进能够将仪器的灵敏度提高100倍。
Fajans说：“尽管这个项目的起源是在伯克利，但这个结果是集体努力的结果。ALPHA是为反氢光谱而设计的，而不是这些反原子的重力测量。乔纳森和我的提议与所有计划完全正交。”如果没有我们的工作和多年的孤独发展，ALPHA和这项研究可能就不会发生。”
虽然无效结果可能会被认为平淡无奇，但该实验也是对广义相对论的一个重要测试，迄今为止它已经通过了所有其他测试。
“如果你走进这个系的大厅并询问物理学家，他们都会说这个结果一点也不令人惊讶。这就是现实，”沃特勒说。“但他们中的大多数人也会说，实验必须进行，因为你永远无法确定。物理学是一门实验科学。你不想成为那种不做探索可能的实验的愚蠢人。新物理学，因为你以为你知道答案，但结果却是不同的。”