反物質並不遵循反重力定律?

2020-12-04 第一財經

反物質是否遵循反重力定律?物理學家有大量理由相信反物質並不遵循反重力定律,但從來沒有人直接對這一說法進行測試。現在傑弗瑞·漢斯特(Jeffrey Hangst)與他的同事正在進行一項叫做ALPHA的實驗。他們已經找到一個測試方法,並在《自然通訊》(Nature Communications)雜誌中展示了他們的成果。

反物質粒子像普通萬物一樣,除了它們帶有的是相反的電荷。但反物質一定有和物質不一樣的地方,因為如果沒有其他不同,等量的物質和反物質將會產生一場大爆炸,並在爆發出純能量後迅速徹底消失。很顯然,這一切沒有發生,物質依舊無處不在。物理學家已經觀察發現,某些類型的粒子與他們的反粒子的確有不同的性能特點。就在上周,來自CERN實驗室的另一個叫做LHCb的實驗,報告了一種B0s介子,其粒子與其反粒子的性能特點就存在不同。但這些差異還遠遠不夠用來說明物質的宇宙性主體優勢。但如果物質和反物質對於重力的反應是不同的,便可以更充分地解釋問題了。

儘管一些形式的反物質,比如反電子,已經可以獲得,但大量更強大的電子力量影響著帶電粒子。在此背景下,這些反物質粒子的重力太小,以至於無法測量。因此ALPHA實驗的科學家轉而把目光集中到了電中性的反原子上。他們特別測量了反氫中的慣性質量或阻力加速是如何與其引力質量產生對比的,其引力質量與作用在一個物體,並被此物體感受到的重力成正比。如同阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)在他的廣義相對論中所展示的那樣,對於一般物質而言,其慣性質量與其引力質量是相等的。如果反物質也是這樣,按這種說法,粒子和反粒子的重力之間沒有差別。

過去的幾年中,漢斯特博士和他的團隊已經很擅長變出反氫。反氫的實現是通過CERN的小型粒子加速器,將質子與石墨靶對撞,從而產生出一束帶負電荷的反質子,接下來使用智能磁鐵使其減速至幾乎靜止。然後將反質子與從放射性鈉中發射出的正電子混合。所有這一切都在一個磁阱中進行,以防止結合成反氫原子的反質子和正電子衝擊入容器壁中的一般物質中。

現在,ALPHA研究項目中的研究人員,一般可以將這樣的反原子保留長達15分鐘。然而,這一次,434個反氫原子(每次試驗一個反氫原子)被從磁阱中釋放,並被允許逃走。徹底消失在磁阱壁時,它們流動的方向是可以被檢測到的。

既然反原子在釋放時會有殘餘能量,你就不能期待它們全都會直接落到地上,它們會向各個方向飄散。由於不同值的慣性質量比(假定物質與反物質的比值是相同的)和引力質量,向上和向下飄散的反原子的比例可以被確切地模擬。當研究人員將那些模型與在磁阱壁周圍434個反原子的實際分布情況進行比較時,他們發現反氫的比率一定處在-65(代表反重力)到110(超引力,如果你願意那樣稱呼的話)之間。

的確,這是一個相當大的範圍,漢斯特博士希望隨著科技進步可以縮小這一範圍。不過,這一範圍包含的精確比率,無限接近愛因斯坦理論中的比率數,而只有進一步的實驗才能最終決定性地解決這一問題。

 

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    要理解反物質是什麼,以及它與反重力有什麼關係,我們需要回溯到宇宙大爆炸時代,宇宙大爆炸發生的時候,產生了物質和反物質。我們目前還不具備測試反物質對重力的反應,儘管如此,仍有一些理論聲稱,通過測試,我們會發現反物質微粒會往上「掉」下,而不是往下掉。
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  • 科學家們正在努力揭開反重力之謎,反重力飛船或將有望問世!
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  • 反重力研究是科學還是科幻,現在有突破嗎?
    迄今為止,人類用無數事實證明了萬有引力定律的正確,證明了三個宇宙速度的正確,只有實現這些速度,才能夠克服地球重力,把人類送上太空。但反重力飛行裝置從理論上還是有一定研究價值的,因為反重力存在是愛因斯坦廣義相對論的一個預言。理論上認為,重力G由引力產生,大小物體質量乘以重力加速度g即得到重力,表述為G=mg。這樣如果給物體一個地面之外的作用力,與重力形成對衝平衡時,人或物就可以處於懸浮狀態。
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    確認反物質是否像物質一樣遵循引力定律是確認數十年來關於反物質理論正確性的關鍵一步。反物質就像一切構成恆星,行星和所有宇宙中能被觀察到物體的物質一樣,但它有一些相反的量子特徵(比如說,常規物質的電子帶負電,反物質的電子卻是帶正電的,叫做反電子)。
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