反重力真的存在嗎?

在深深的地下，瑞士世界聞名的粒子加速器CERN的水泥牆裡，200千米長的機器被放置在封閉的氬氣和二氧化碳混合氣體中。經過幾年的精心設計和裝備，這臺設備幾乎準備好進行它的首秀了。儘管探測器看起來充滿了未來感，它的功能其實和之前幾代探測器十分相似——除了一點：這個探測器是用來測量引力對反物質的作用的。 

這臺探測器叫做ALPHA-g，它的藍圖在2013年第一次被畫出來。最近幾個月，它的創造者夜以繼日地在加拿大溫哥華完成建造工作。終於，在七月，ALPHA-g被運輸機運送到CERN，這個世界上唯一能夠提供足夠反物質來進行這些實驗的地方。 

現在，時間不多了。科學家們正在測試這些設備，而且必須在CERN關停兩年進行維修之前解決所有技術問題。ALPHA-g團隊正急於在十一月十二日所有設備關停之前進行引力實驗——但哪怕只是一根電線接錯也會使他們錯過最後的期限。 

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）。 

反物質還有一些不一樣的地方——這使它幾乎從我們的宇宙中完全消失。科學家懷疑宇宙大爆炸後很短的時間內，宇宙中存在著等量的物質和反物質。然而，在現今的宇宙中，反物質幾乎蕩然無存。這些反物質去向的謎題也就成為了物理界中最大的問題之一。 

以1995年實驗制出九個反氫原子為開端，在創造，控制和分析反物質方面的主要實驗突破僅在最近幾十年出現。然而，當反物質和正常物質相撞時，兩種粒子都會湮滅——所以這些第一批反氫原子僅存在了四百億分之一秒，同時以近光速運動，之後就與普通物質碰撞湮滅了。為了促進對反物質的研究，科學家需要找到一種將兩種物質隔離的方法。 

直到2010年，作為首次ALPHA實驗的一部分，物理學家才成功地用磁場固定住粒子，使它們懸浮在反物質探測器的小室內。後續的實驗顯示反物質其實與正常物質有許多相同的性質；比如說，它們有相同的色和比荷。 

但它是否真的像理論預言的那樣有著與正常物質相同的引力性質呢？這一代的第三臺機器ALPHA-g就是專門用來探索這個至關重要的問題的。先前的ALPHA探測器被水平放置，且探測室較狹小，這臺新的探測器會被豎直放置，而且有2.3米高。巨大的線圈纏繞在探測室周圍，產生的磁場把反氫原子固定住，如同把它們固定在一個塑料瓶裡一樣。不過這個「塑料瓶」上下都有開口。進行實驗的時候，對磁場的控制必須十分精確，使得上下兩個蓋子能夠同時「打開」。然後，ALPHA團隊會觀察反氫原子在地球引力場作用下的表現，看它是否會像常規物質一樣下落——或者向上移動，和普通物質受到的引力完全相反。 

後者的可能性微乎其微。但是，一旦觀察到這樣的現象，我們現今依靠愛因斯坦廣義相對論對宇宙的認識將被完全顛覆。 

「如果我們確實觀察到哪怕一點差別（反氫原子和普通氫原子之間），那麼整本教科書都會被完全改寫，」Makoto Fujiwara說，他是這個位於加拿大粒子加速器TRIUM的科研團隊的科學家中的領導。 

ALPHA-g團隊打算在兩年後CERN重新開放的時候能夠得到多次且更精確的關於引力對反物質影響的測量結果。但現在，科研人員只希望在所有設備關閉維修前至少能夠觀察到反物質到底是往上運動還是往下運動。 

Fujiwara對整個團隊在這麼短的時間內完成初步觀察實驗的能力持比較保守的態度，他強調這個實驗包含了新發展的科技。尤其是新的磁場設計非常複雜。Fujiwara說，「對磁場的控制是一個主要因素，如果我們無法很好地控制它，使它具備一定特徵，我們可能會被最後的結果愚弄。」 

這個團隊已經遇到了一個問題，就是如何用機器創造電場來控制反氫原子帶正電的部分和帶負電的部分，使它們在探測器內結合（在雷射的幫助下）。 

ALPHA-g在CERN裝配好後不久，這個設備256根鍍金鎢絲中的一根就斷了，自己卷了起來和別的線纏在一起——最終短接了兩個產生電場的電極。為了修好它，ALPHA團隊的成員必須從溫哥華飛來，搭建起一塊毗鄰的無菌工作區域，然後為了能接觸到故障線圈，探測器的絕大部分都需要被拆卸掉。經過一周高強度的工作，這個團隊使ALPHA-g重新運行了起來。 

 「總會有我們意想不到的問題【並且】需要我們立刻關注，」項目主管Pierre Amaudruz說。「在未知領域的研究就是這樣的。我們時不時就需要嘗試解決一些無法預料的問題。」 

這個團隊希望在測試階段能夠消除一切最後的問題，並完成初步實驗——僅僅是觀察反氫原子往上或往下的運動——在CERN穩定的反質子和反電子（構成反物質的成分）供應被切斷前。如果他們能夠成功，這重大的任務會使人類對那個有趣的問題有更深的理解：反物質到底是往上掉，還是往下掉呢？ 

這篇帖子更新於2018年10月16日。 

（翻譯：費哲妮；審校：劉博堯） 

原文連結：

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/astrophysics/new-alphag-detector-poised-to-search-for-signs-of-antigravity