反物質在真空中會跌落還飄升?CERN 準備進行新重力實驗

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 07 日 11:32 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

歐洲核子研究組織(CERN)即將展開 2 項新重力實驗,這次科學家想知道的是:反物質在真空環境中是否與普通物質一樣,具有相同的重力加速度並且都往下掉落;又或者,反物質會完全抵抗重力,往上飄去?



物理學告訴你這個事實:在真空環境中(沒有摩擦力)丟下質量不同的錘子和羽毛,它們會在地球重力場中以同等速率落下,這種物體僅受重力作用所具有的加速度稱為重力加速度,與物體質量無關,而放眼宇宙中所有物質、粒子,無論它是什麼屬性,在同重力場中都會有相同的重力加速度或時空曲率。

但表現出與普通物質相反量子特性的反物質,是否遵循跟普通物質一樣的重力定律?這是一個非常簡單、基本的問題,但我們還不知道答案。雖然理論預測反物質的重力加速度應該和普通物質一樣都是 9.8 m/s2,但事實上,它也有出現往上飄的可能性(重力加速度為負值)。

為了回答這個謎題,CERN 科學家即將展開 ALPHA-g 實驗與 GBAR 實驗,研究反物質在真空環境中如何與重力相互作用。

ALPHA-g 探測器採垂直定位,高 2.3 公尺,外由巨大線圈包圍,形成一個含有反氫原子的磁場,你可以想像這些原子被困在一個寶特瓶中。但這個寶特瓶又有點特殊,上下方各有一個「瓶蓋」,在實驗過程中,研究團隊會精確操縱磁場同時打開「頂蓋」與「底蓋」,接著觀測反氫原子在地球重力場中,是和普通物質一樣往下掉落,或是抵抗重力往上飄。

GBAR 實驗則透過 ELENA(Extra Low ENergy Antiproton)設施得到反質子,接著與來自小型直線加速器的正電子合成具有 1 個反質子和 2 個正電子的反氫離子,再用雷射剝離其中一個正電子變成中性原子,最後和 ALPHA-g 實驗一樣測試原子的跌落。

只要科學家從這兩項實驗中看到一丁半點異樣,教科書就要完整重寫。不過,這兩項實驗分秒必爭,因為 CERN 即將關閉兩年對大型強子對撞機(LHC)進行維護升級,科學家必須在此前完成初步結果分析。

隨著科學家揭曉重力對反物質的影響,或許就能試著解釋,為什麼在現今可觀測的宇宙範圍內,正、反物質的含量明顯不對稱。

如果未來人類對反物質技術的掌握已爐火純青,科學家也設想過反物質可以做為太空船的燃料來源,因為物質與反物質一旦結合就會互相湮滅,百分百轉化為高能光子並釋放出巨大能量,這股驅動力比當前任何技術都還要強上許多:幾十毫克反物質湮滅產生的推力,等同於幾萬噸化學燃料燃燒產生的推力,45 天就能帶你上火星。

(首圖來源:CERN

延伸閱讀: