如果你從高處丟下一些反物質，它會下墜還是上升？「反物質」就像「普通物質」的另一面，當它與重力相互作用，人們也想知道它如何反應。最近，歐洲核子研究組織（CERN）的 ALPHA 實驗「直接」觀測證實了愛因斯坦理論預測：反物質像普通物質一樣，也會因重力向下墜落，這表明物質、反物質都以類似方式對重力做出反應。
反物質（antimatter）由反粒子組成，質量與它們對應的普通粒子相同，但反粒子電荷特性就像照鏡子一樣左右顛倒，比如反電子具有正電荷，反質子具有負電荷。
當反物質遇到普通物質，2 種粒子會發生湮滅，總質量轉化為純能量，也因此反物質無法在自然界找到，因為它們無可避免地立刻與自然界普通物質碰觸並湮滅。
但科學家認為大爆炸後十億分之一秒內曾存在大量反物質，因為新生宇宙非常熱且密度無限，能量和質量幾乎可互換，新粒子與反粒子不斷被創造出來，只是最後普通物質贏了，於是宇宙再找不到反物質（除了放射衰變、宇宙射線等現象會產生稍縱即逝的少量反物質）。
出於某種一直困擾科學家的原因，幾乎當前宇宙所有可觀測物體都由過剩普通物質構成，包括恆星、行星、小行星、你和我。
▲ 宇宙所有可觀測物體基本上都是由普通物質構成，宇宙幾乎不存在反物質。（Source：pixabay）
「為何宇宙物質遠多於反物質？」這問題也被稱為重子生成（Baryogenesis），物理學家想解開這個謎團，首先需透過實驗確定反物質各種特性，例如對重力的反應。
愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論對所有物質一視同仁，因此若理論正確，則反物質對重力的反應應與普通物質一樣。
有些物理學家會思考反物質被重力排斥的可能性，但多年來許多間接測量已證實愛因斯坦理論；而現在，CERN 的 ALPHA 實驗更以「直接觀測」證實了預測：反氫（antihydrogen）在容器中也如自由落體般下墜。
該計畫最早制定於 2018 年，當時 ALPHA 合作團隊建造一個反氫原子的磁陷阱 ALPHA-g，反物質粒子會懸浮然後落入陷阱，如果冷卻的反氫逃離磁阱則進入垂直真空室，與腔室側面或末端（即普通物質）接觸便會被湮滅。
研究人員調整了磁場強度，結果發現當腔室兩磁場保持平衡時，約 80% 反物質粒子會朝陷阱底部湮滅；或者說，是重力把它們帶到那裡。
這些觀察證實了愛因斯坦廣義相對論提出的弱等效原理，該原理認為所有慣性質量對重力的反應都相同，無論成分如何。
長遠來看，終於證實這件事只是物理學家理解自然力與粒子物理學的一小步，也由於答案和廣義相對論一致，因此並沒有解開反物質稀缺的謎團，但能確定的是，我們再次確認愛因斯坦的理論通過考驗，弱等效原理在物質和反物質身上依然成立。
當然，如果科學家發現的是反物質排斥重力「向上墜落」，就會變成另一個顛覆性重大新聞。
新論文發表在《自然》（Nature）期刊。
- Antimatter falls down, just like ordinary matter
- Antimatter Reacts to Gravity in the Same Way as Ordinary Matter, Physicists Find
- Einstein right again: Antimatter falls “down” due to gravity like ordinary matter
- Antimatter embraces Earth, falling downward like normal matter
- ALPHA experiment at CERN observes the influence of gravity on antimatter
（首圖來源：美國國家科學基金會）
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