反重力真的存在吗？

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主译：酥油饼

校对：甘林

审阅：牧夫天文校对组 林钰然

编排：苏奕月

后台：李子琦

https://sorae.info/astronomy/20231004-antimatter.html

“反物质”的某些特性与普通物质相反，这些特性具有极大的理论意义，但很难被测定，而且有几种特性尚未得到实验性的证明。其中之一就是反物质的重力方向。大多数物理学家认为，重力作用于反物质的方向与作用于普通物质的方向相同，但没有实验证据否定与重力方向相反的“反重力”存在的可能性。

研究 “反氢”这种反物质的“ALPHA”实验国际研究小组利用“ALPHA-g”实验装置测量了作用于反氢的重力方向和强度，发现作用于反氢的重力方向和强度与普通物质的重力方向和强度一致，从而有效地排除了反物质中存在反重力的可能性。在现代物理学框架中，这一结果可以表述为“反重力并不存在”。

图1: 本次ALPHA-g的实验结果表明反物质与普通物质的重力作用是一致的（Credit: NASA, Reid Wiseman (背景图)）汉化：牧夫天文

人们一直认为作用于反物质的重力与作用于普通物质的重力相同

我们周围的物质基本上是由（正）粒子组合而成的（正）物质。另一方面，我们知道宇宙中存在着某些性质与（正）粒子相反的“反粒子”，并且存在着由这些反粒子组合而成的“反物质”。

从理论上来说，物质和反物质的特性要么是“方向（符号）和强度相同”，要么是“强度相同但方向相反”，迄今为止的实验证实了大多数情况下都是如此。

然而，由于反物质在遇到普通物质时会湮灭，所以一般来说，要通过实验研究反物质的性质是极其困难的。因此，即使是“作用于反物质的重力的方向和强度”这一基本性质，直到现在也没有得到证实。

我们可以简单地认为，如果反物质的某些性质与普通物质相反，那么作用在反物质上的重力也会相反，即反物质可能具有“反重力”作用的性质。然而，反物质所受重力的方向和强度至今尚未得到实验证明。

我们为什么要确认作用在反物质之上的重力（反重力）

为什么尽管反重力作用于反物质的现象尚未得到实验证实，却有许多物理学家否认其存在？ 为什么尽管他们否认，却始终试图通过实验测定反物质上的重力呢？

广义相对论与量子力学共同构成了现代物理学。大量实验表明，广义相对论非常准确地描述了万有引力。广义相对论推断了“弱等效原理（Weak Equivalence Principle）”，即作用在物质上的重力强度不会因物质类型的不同而改变。多年的研究证实，弱等效原理是正确的，到 2022 年为止其不正确的概率约为千兆分之一。

此外，目前还没有证据表明普通物质的反转是反物质性质的一部分，且作用于反物质的重力也是相反的。如果假设作用在反物质上的力是反重力，这就意味着反物质具有“负质量”（*1）。 然而，根据 “质能守恒定律”(*2) 和“CPT对称性”(*3)，反物质实际上并不被认为具有负质量，而且在实验中也没有发现反物质和相应的（正）物质在质量上存在差异。这就是许多物理学家并不认为反重力作用于反物质的原因。

然而，尽管许多研究已经证实了广义相对论的正确性，但在必须考虑量子力学的场景中（如黑洞的中心或者是刚诞生的宇宙），人们对广义相对论还不甚了了。主要原因是，要理解这种场景中的状况，必须将广义相对论和量子力学结合成一个单一的理论，但这方面的尝试目前尚未成功。

除此之外，“暗物质”(*4)和“暗能量”(*5) 的存在也表明我们对万有引力的理解并不完全。我们认为它们占据了宇宙的大部分，但其真正的性质却不得而知。事实上，一些研究试图将暗能量假定为作用于反物质的反重力。

在大多数情况下，即使物质和反物质的一部分性质是相反的，但在强度上却是相同的。 然而，迄今为止的研究表明，这种关系在“弱相互作用”（*6）中并不成立。我们的宇宙充满了物质，而“重子生成问题”（*7）表明反物质几乎不存在。有人认为这可能是由于物质和反物质之间微小性质差异的原因，因此研究人员正在努力找出这些微小性质差异。

此外，爱因斯坦于1915年发表了广义相对论，但反物质存在的首次推断是在1928年，并于 1932年得到实验证实（*8），因此可以说在构建广义相对论的过程中并没有考虑到反物质。由于目前的理论框架并没有推断到正质量的反物质存在反重力，因此就意味着如果其情况存在，就需要一种新的理论，而这种理论需要经过实验验证。鉴于上述种种情况，考虑到理论可能是错误的，并通过实验证实反物质受重力影响的行为是明智的（借用ALPHA实验研究团队的说法）。

测定作用于反物质的重力相当困难

尽管有这些“间接证据”，但从未有过直接测定“作用于反物质的重力”的实验，因此对于“地球上的反物质会像普通物质一样坠落吗”这个问题没有“直接证据”。这是因为反物质实验面临着诸多困难。

首先，由于反物质在这个宇宙中几乎不存在，实验需要用高能量来生成反物质。要获得的反物质结构越复杂，所需的能量就越大，同时其需要的时间和成本也越多，比如分离无关的副产物。

辛苦制造出来的反物质如果遇到普通物质就会湮灭，重新变回能量。此外，被制造出来的反物质具有很高的动能，其运动速度之快快到重力作用都可以忽略不计，因此必须以某种方式消除动能。

为了防止反物质的湮灭和减少其动能，实验中使用磁力将生成的反物质困在一起。实际上，在测量反物质受重力影响时，这种方法存在极大的问题。磁力，更准确地说是“电磁相互作用”，比在相同距离下的重力相互作用大了10的36次方倍（1涧倍=1兆×1兆×1兆倍）。从小磁铁在重力作用下倒挂在钢板上的场景可以看出，磁场和电场只需很小的力就能轻易改变反物质的运动。

电场问题可以通过在实验中使用由反质子和正电子的结合而呈电中性反物质--“反氢”原子来解决，但这仍然是一个大问题，因为磁场也对反氢起作用。

人们一直认为作用于反物质的重力与作用于普通物质的重力相同

图2：正在建造的ALPHA-g实验装置，其中的真空管道将注入反氢（Credit: CERN）

利用反氢测定反物质特性的“ALPHA”实验的国际研究小组在2022年的一次实验中，利用实验装置“ALPHA-g”首次成功地直接测量了作用于反物质的重力的方向和强度。这一成果的取得得益于30多年来在如何控制反物质的实验和研究中积累的技术和知识。

图3：ALPHA-g实验装置示意图。本实验使用了真空管中26.5cm高的区域。在实验过程中，作为 “盖子”密封上下两部分的电磁铁（Mirror coli G & Mirror coli A）的磁力会被削弱，从而使反氢掉落（Credit: E.K.Anderson, et al.）

在实验中，首先在ALPHA-g内混合从其它装置中产生的反质子和正电子来制造反氢。由于需要足够的冷却（降低动能）才能将反氢封闭在 ALPHA-g 内，因此在反质子产生阶段就减少了动能，并用液氦将反物质发生器和ALPHA-g封闭反氢的区域冷却到-269℃（4K）。

如果把反氢的动能换算成温度的话，这一措施差不多将其抑制到了约-272.7℃（约0.5K）。在垂直方向上竖立的真空管（直径4.4cm/高25.6cm）中，电磁铁的磁场可以将其控制住。即使动能被抑制，管道中的反氢仍以100m/s的速度移动，每秒重复与磁场碰撞数百次。

图 4：本实验的示意图。(1) 实验开始时，约100个反氢元素在上下磁力封闭的真空管中产生。 (2) 当上下磁力逐渐减弱时，反氢弹落或上升到表面。从出口出去的反氢遇到普通物质后湮灭，释放出能量，因此可以计算有多少反氢元素向上或向下移动（Credit: Keyi "Onyx" Li, U.S. National Science Foundation /）

汉化：牧夫天文

下一步，装置中用于封闭反氢的磁场被移除20秒钟。管道每个出口顶部和底部的电磁场会 “封住”出口，但如果磁场减弱，反氢就会从出口逃逸。

如果反物质受到的重力与普通物质相同，那么掉落到管道下方的反氢应该多于悬浮到上方的反氢。根据初步计算推断，约有20%的反氢会出现在上方，而80%的反氢会落在下方。从管道中逃逸出来的反氢与构成装置的无数物质中的任何一种发生碰撞并湮灭，释放出能量，通过捕捉这些能量就可以确定反氢气是向上还是向下移动了。

然而，考虑到重力是一种极其微弱的力，反物质的未知特性和其他因素可能会影响实验结果（*9）。为此，研究小组不仅将上下磁场削弱到完全相同的强度，还进行了不同强度的实验。磁场强度的不同使其可以忽略重力作用而产生下落或悬浮，这种动向可以通过模拟来推断。如果模拟结果与实验结果之间没有明显误差，则可以证明ALPHA-g的实验结果反映了重力作用。在本次实验中，运用了从相同的上下磁场强度到最大3倍重力的强度，确认了各个强度差下反氢的动向。

本研究中，在不同的磁场强度下，使用ALPHA-g重复进行了六到七次实验，每次实验产生和湮灭约100个反氢原子。由于不知道每次实验中产生或湮灭的反氢原子的具体数量，因此采用了统计过程来研究每次实验条件下反氢原子的动向，并计算出结果。

世界上首次直接证实，作用于反物质的重力与作用于普通物质的重力相同！

研究 “反氢”这种反物质的“ALPHA”实验国际研究小组利用“ALPHA-g”实验装置测量了作用于反氢的重力方向和强度，发现作用于反氢的重力方向和强度与普通物质的重力方向和强度一致，从而有效地排除了反物质中存在反重力的可能性。在现代物理学框架中，这一结果可以表述为“反重力并不存在”。

图5：本实验结果与初步模拟结果的对比图。可以看出，与实验结果最一致的模拟是假定一般重力作用下的模拟（Credit: E.K.Anderson, et al.）汉化：牧夫天文

ALPHA-g的实验结果表明，反氢的重力作用方向与普通物质一样是向下的，其强度是普通物质的0.75±0.29 倍（*10），这在误差范围内是一致的。

假设这一实验结果是偶然的结果，那么下一个最有可能的结果就是“反重力不作用于反氢”，其概率为0.029%。无论如何，“反重力作用于反氢气”的概率小于千兆分之一，这个概率小到用一个具体数字来表示几乎没有意义，因此研究小组得出结论：“反重力作用于反物质的可能性不存在”。

此外，由于反重力只可能作用于反物质之上，而反物质被证实了没有反重力作用其中，因此在当前物理学框架下，我们也可以说“反重力不存在”(*11)。

乍一看，这是一个显而易见的结果，其影响可能难以表达。然而，“反物质与普通物质具有相同的重力方向和强度”这一“理所当然的推断”是建立在大量的思考实验和间接推论基础之上的，其错误的可能性并非为零。从这个意义上说，ALPHA-g实验为传统的“理所当然的推断”提供了有力的证据。此外，尽管可能性较低，但如果反物质受到反重力的影响，这可能对暗能量的真实性以及重子生成问题产生影响。因此，这次实验结果可以直接否定一些宇宙模型。

ALPHA实验研究小组的下一个目标是通过提高实验精准度，更具体地计算出作用于反物质的重力强度。通过研究普通物质和反物质之间的重力强度是否存在差异，可以从另一个方面检验迄今为止只在普通物质上考虑的弱等价原理。事实上，本次实验使用的是ALPHA-g真空管的一部分，其长度约为3米，更高的高度可以进行更精确的实验。通过这样的实验来详细研究普通物质和反物质之间的差异，有可能解开当前物理学中的许多谜团。

注释

*1...如果我们假设存在质量为负值的物体（无论是物质还是反物质），那么由此产生的重力也将是负值，即反重力，这是广义相对论的近似解所推断的。然而，在这种情况下，一个正质量物体会在重力作用下拉近一个同时具有正质量和负质量的物体，而一个负质量物体则会在反重力作用下推远一个同时具有正质量和负质量的物体。因此，将质量相同（质量的绝对值相同）的正质量物体与负质量物体放在距离彼此很近的位置，两个物体就会发生持续性地无限加速的失控运动。处于失控运动中的物体的总质量、总能量和总动量都为零，这与广义相对论相悖。如果在广义相对论的框架内出现了自相矛盾的情况，即使它是在解决广义相对论的过程中产生的，也会被认为这个假设是错误的，因此理论上来说负质量的物体并不存在。

*2...普通物质和反物质的成对生成所需的能量等于它们的总质量。如果反物质的质量为负，那么与质量相等的能量将为负，成对生成所需的能量将为零，这与假设不符。

*3...如果把“电荷（C，Charge）”、“宇称（P，Parity）”和“时间（T，Time）”全部颠倒过来，就会得到与颠倒前完全相同的情况，这是物理学的基本原理，称为“CPT对称性”。即使在一些弱相互作用中的CP对称性不成立的情况下，CPT对称性仍然成立。在研究物质和反物质性质差异的实验中，已证实即使在反物质中，CPT对称性也成立。这是反物质不受反重力影响的证据之一。

*4...无法用可见光等电磁波观测到，但重力观测却表明其存在的物质被称为暗物质。宇宙中暗物质的数量是普通物质的五倍，但其具体性质仍然未知。

*5...我们的宇宙正在膨胀，它的速度应该在重力的作用下减慢，但观测结果表明，它反而在加速。这应该是由比重力强得多的被称为“反重力”的未知斥力所引起的。这种未知力量的来源被称为暗能量。暗能量的真相至今未知。我们还知道，将暗能量描述为反重力只是类比的说法，实际上暗能量和反重力的性质截然不同。因此，否认反重力的存在并不影响暗能量的存在。

*6...改变构成原子核的基本粒子（夸克）类型或导致中微子与其他物质相互作用的力叫做弱相互作用。研究表明，由弱相互作用引起的物理现象在普通物质和反物质中的表现略有不同，这被称为“CP破缺”。

*7...目前关于普通物质和反物质的理论和实验都证实了“成对生成”，即物质和反物质总是成对形成的。但在这种情况下，所有物质和反物质都应该经历“成对湮灭”，即它们相遇并再次变回能量。在实际宇宙中，普通物质非常丰富，反物质却所剩无几，因此人们认为，由于某种原因，物质和反物质的成对湮灭存在着大约十亿分之一的微小差异，但其原因尚不明确。这就是所谓的“重子生成问题”。如果我们假设反重力作用于反物质，那么反物质就可能从普通物质和反物质中逃逸出来，从而逃脱成对湮灭，稀疏地分布于宇宙中。

*8...保罗・狄拉克于1928年推断了电子的反物质--正电子的存在。直到1932年，卡尔・戴维・安德森才用实验证明了这一点。不过，狄拉克最初的反物质理论与现在的理论略有不同。

*9...可能对实验产生影响的背景：“反氢可能略带电荷（虽然反质子和正电子之间的理论电荷差是相等的，但不能排除实验中存在极微差的可能性）”、“反氢原子磁偶极矩值的不确定性（实验中不能排除它可能与正常氢的磁偶极矩值不同）”、“基态反氢原子极化率的不确定性（实验中不能排除它可能与正常氢的极化率不同）”、“真空管道中未移走的原子（它们可能在反氢落体实验中发生碰撞并发出错误信号）”。这些影响已被证明比目前实验的准确性影响要小得多。

*10...更准确的说法是，是重力加速度的0.75±0.13（统计误差+系统误差）±0.16（模拟误差）倍。

*11...在将一般相对论和量子力学结合的扩展理论中，存在一些理论推断了如“第五种力（Fifth force）”的力，由未知的粒子“引力光子（Graviphoton）”传递，这种力类似于反重力。然而，也存在一些扩展理论没有推断反重力的情况，目前尚不清楚哪种理论是正确的，而且所有这些理论都还不完整。因此，目前还无法在现有物理学框架之外的领域提及反重力的存在与否。此外，即使所推断的反重力是正确的，我们也已经发现其中一部分与重力的强度和传输距离不同。实验证明，一些扩展理论所推断的反重力是不存在的。

责任编辑：甘林

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