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反物质在真空中会跌落还飘升?CERN 准备进行新重力实验

2024-11-02 224

欧洲核子研究组织(CERN)即将展开 2 项新重力实验,这次科学家想知道的是:反物质在真空环境中是否与普通物质一样,具有相同的重力加速度并且都往下掉落;又或者,反物质会完全抵抗重力,往上飘去?

物理学告诉你这个事实:在真空环境中(没有摩擦力)丢下质量不同的锤子和羽毛,它们会在地球重力场中以同等速率落下,这种物体仅受重力作用所具有的加速度称为重力加速度,与物体质量无关,而放眼宇宙中所有物质、粒子,无论它是什么属性,在同重力场中都会有相同的重力加速度或时空曲率。

但表现出与普通物质相反量子特性的反物质,是否遵循跟普通物质一样的重力定律?这是一个非常简单、基本的问题,但我们还不知道答案。虽然理论预测反物质的重力加速度应该和普通物质一样都是 9.8 m/s2,但事实上,它也有出现往上飘的可能性(重力加速度为负值)。

为了回答这个谜题,CERN 科学家即将展开 ALPHA-g 实验与 GBAR 实验,研究反物质在真空环境中如何与重力相互作用。

ALPHA-g 探测器采垂直定位,高 2.3 米,外由巨大线圈包围,形成一个含有反氢原子的磁场,你可以想像这些原子被困在一个宝特瓶中。但这个宝特瓶又有点特殊,上下方各有一个“瓶盖”,在实验过程中,研究团队会精确操纵磁场同时打开“顶盖”与“底盖”,接着观测反氢原子在地球重力场中,是和普通物质一样往下掉落,或是抵抗重力往上飘。

GBAR 实验则透过 ELENA(Extra Low ENergy Antiproton)设施得到反质子,接着与来自小型直线加速器的正电子合成具有 1 个反质子和 2 个正电子的反氢离子,再用激光剥离其中一个正电子变成中性原子,最后和 ALPHA-g 实验一样测试原子的跌落。

只要科学家从这两项实验中看到一丁半点异样,教科书就要完整重写。不过,这两项实验分秒必争,因为 CERN 即将关闭两年对大型强子对撞机(LHC)进行维护升级,科学家必须在此前完成初步结果分析。

随着科学家揭晓重力对反物质的影响,或许就能试着解释,为什么在现今可观测的宇宙范围内,正、反物质的含量明显不对称。

如果未来人类对反物质技术的掌握已炉火纯青,科学家也设想过反物质可以做为太空船的燃料来源,因为物质与反物质一旦结合就会互相湮灭,百分百转化为高能光子并释放出巨大能量,这股驱动力比当前任何技术都还要强上许多:几十毫克反物质湮灭产生的推力,等同于几万吨化学燃料燃烧产生的推力,45 天就能带你上火星。

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  • Is Anti-Gravity Real? Science Is About To Find Out
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  • New antimatter gravity experiments begin at CERN
  • New CERN experiments probe puzzling questions about antimatter

(首图来源:CERN)

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