反引力是真的吗？科学即将发现

资深撰稿人 Ethan Siegel

资深撰稿人 Starts With A Bang

Oct 26, 2018, 10:00am

从一声爆炸开始

    宇宙就在那里, 等待着你去发现它。

在一般相对论画片中的空时翘曲，引力质量造成引力的。它被假设但没有被实验验证, 在一个引力场中反物质质量将与物质质量一样的行为。LIGO/T. PYLE

    关于科学的最惊人的事实之一是自然法则是怎样普遍适用的。每个粒子遵循相同的规则, 体验同一的力并看到同一的基本常数, 无论它们在何处或何时存在。引力上在宇宙中每一个实体体验的取决于你怎样观察它, 要么同一的引力加速度要么同一的空时曲率，无论它拥有什么属性。

    至少, 这是事情在理论中是的。在实践中, 有些事情是众所周知的难来测量的。光子和正常的、稳定的粒子都在引力场中像预期的那样下落, 地球造成任何大质量的粒子以9.8 m/s²的加速度朝向它的中心。然而，尽管我们尽了最大努力, 但我们从未测量过反物质的引力加速度。它应该以完全相同的方式加速, 但直到我们测量它之前, 我们不知道。一个实验正在试图决定这件事情, 一劳永逸。根据它发现的, 它可能刚好是技术革命的关键。

从反氢激光物理学器具实验中反氢原子的轨迹。现在, 我们能将它们稳定保持长达20分钟, 而测量它们怎样在一个引力场中行为是下一个合乎逻辑的步骤。.CHUKMAN SO/UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY

    你可能没有意识到,有两种完全不同的来思考质量的方式。一方面, 当你向它施加一个力时有一个加速质量: 牛顿著名方程式F = ma中的 m。这与在爱因斯坦的 E = mc²中的m是相同的, 它告诉你需要多少能量来创造一个粒子 (或反粒子) 和当你湮灭掉它时需要多少能量。

    但在那里还有另一个质量: 引力质量。这是在地球表面 (W = mg) 重量公式中或牛顿引力定律F = GmM/r²中出现的质量 m。对于正常的物质, 我们知道这两个质量------惯性质量和引力质量------一定等于某些由于100年前由罗兰德爱奥特沃斯设计的实验制约的1000亿份之1部分的东西。

牛顿万有引力定律 (L) 和库仑法则的静电 (R) 定律有几乎相同的形式。如果引力中的 " m " 对反物质获得一个负号, 即将进行的实验应该揭示它。DENNIS NILSSON / RJB1 / E. SIEGEL

    然而, 对于反物质, 毕竟我们从来不能够测量到这一点。我们已经将非引力的力施加到反物质来看到它加速, 我们也已经创造并湮灭了反物质，我们确定它的惯性质量是怎样行为的, 它与正常物质的惯性质量完全相同。对F = ma 和 E = mc²反物质就像它们对正常物质一样起作用。

    但是, 如果我们想知道反物质引力上怎样行为的, 我们不能只是从我们理论上期望的出发，我们必须来测量它。幸运的是, 现在有一个被设计来正好做这个的正在运行的实验: 在欧洲核子研究中心的反氢激光物理学器具（ALPHA）实验。

反氢激光物理学器具协作已经成为在一个引力场中来测量中性反物质的行为的最接近的实验。随着即将到来的反氢激光物理学器具-g探测器, 我们可能终于知道这个答案。MAXIMILIEN BRICE/CERN

    最近已经采取的巨大进步之一是不仅创造反物质粒子, 而且还创造它的中性的、稳定的束缚状态。反质子和正电子 (反电子) 能被创造、减慢并被迫彼此相互作用, 在那里它们形成中性的反氢。通过使用一个电场和磁场的组合, 我们能约束这些反原子并保持它们稳定的, 远离造成它们来湮灭的物质。

    我们已经成功的一次将它们保持20分钟左右稳定的, 远远超过不稳定的、基本粒子存活的微秒级。我们已经用光子打击了它们, 发现它们具有与原子相同的发射和吸收光谱。在各种重要的方面, 我们已经确定反物质的属性是与标准物理预测它们是的完全一样。

建造在加拿大的粒子加速器设施TRIUMF的反氢激光物理学器具g探测器是被设计来测量引力对反物质的影响的第一种。当垂直定向时, 它应该能够来测量反物质下落的哪个方向以及在什么程度上。STU SHEPHERD/TRIUMF

    当然，引力除外。在加拿大的凯旋设施建造并在今年早些时候运往了欧洲核子研究中心的新反氢激光物理学器具g 探测器, 应该改进反物质在引力加速度上的限制到临界阈值。在地球表面的引力场存在的情况下反物质在 +9.8 m/s²(下降)、-9.8 m/s²(上升), 0 m/s²(根本没有引力加速度) 上加速或一些另外的值呢？

    从理论和应用的角度来看, 除预期的 +9.8 m/s² 之外的任何结果都是绝对革命性的。

如果有某种类型的有负引力电荷的物质, 它会被我们晓知的物质和能量排斥。 MUU-KARHU OF WIKIMEDIA COMMONS

    每个物质粒子的反物质对应物应该有:

·   相同的质量,

·   在一个引力场中相同的加速度,

·   相反电荷,

·   相反的自旋,

·   相同的磁属性,

·   应该以一样的成原子、分子和更大结构的方式结合在一起,

·   并应在这些不同的配置中具有相同的正电子过渡频谱。

其中一些已经被测量了很长时间: 反物质的惯性质量、电荷、自旋和磁属性是众所周知的。它的结合性和过渡属性已被反氢激光物理学器具实验中的其它探测器测量, 并与粒子物理学预测的结果一致。

    但是, 如果引力加速度返回负值而不是正值, 它将从字面上把世界颠倒过来。

人为引力的可能性是诱人的, 但它的前提是负引力质量的存在。反物质可能是那种质量, 但我们还不知道, 实验的。ROLF LANDUA / CERN

    目前, 没有引力导体这样的东西。在一个电导体上, 自由电荷在表面上存在并能来回移动, 响应任何其它的电荷重新分配它们自己。如果你在电气导体外有一个电荷, 导体内部将被从那个电源屏蔽的。

    但是没有来把你自己从引力屏蔽的办法。没有在空间区域建立一个统一的引力场的办法, 就像你能在一个电容器的平行板之间一样。原因？因为不同于由正电荷和负电荷产生的电力,只有一种引力的"电荷", 那就是质量和能量。引力的力总是有吸引力的, 只是没有绕过这个的办法。

电容器的原理图, 其中两个平行导电板具有相等的和相反的电荷, 在它们之间创造一个均匀的电场。这种结构对引力是不可能的, 除非有某种形式的负引力质量。WIKIMEDIA COMMONS USER PAPA NOVEMBER

    但是如果你有负引力质量, 所有这些变化。如果反物质实际上是反引力的，向上落而不是向下坠落， 那么就会看到引力是由反质量或反能量构成的一样。根据我们目前理解的物理学定律, 诸如反质量或反能量的量不存在。我们能想象它们并谈论它们将如何行为, 但我们希望当到引力时反物质有正常的质量和正常的能量。

    然而, 如果反质量确实存在, 那么许多世代的科幻小说作家所想象的巨大技术进步将会突然的变成可能。

离心住宿模块（CAM）的虚拟铁鸟（IronBird ）工具是一种来创造人工重力的方法, 但需要大量的能量并只允许一个非常特定的、寻求中心的力。真正的人造引力需要一些东西有负质量的来表现的。NASA AMES

    我们能建立一个引力导体, 并把我们自己从引力屏蔽。

    我们能在空间中建立一个引力容器, 创造一个统一的人工引力场。

    我们甚至可以创造翘曲驱动器, 因为我们将获得以一种对广义相对论要求的由米格尔阿尔库别列在1994年发现的一个数学解完全相同的方式形变空时的能力。

对广义相对论的阿尔库别列解, 能够类似于来翘曲驱动运动。这个解决方案需要负引力质量, 这可能正是反物质可能提供的。WIKIMEDIA COMMONS USER ALLENMCC

    这是一种不可思议的可能性, 一种几乎所有的理论物理学家都认为这是不可能的。但无论你的理论多么狂野或驯服, 你都必须绝对的用实验数据来面对它们，只有通过测量宇宙并对它进行测试你才能准确的确定自然法则是怎样工作的。

    直到我们测量反物质的引力加速度来确定它是否向上下落还是向下落为止, 我们必须保持我们自己对自然可能不会像我们预期的那样行为的可能性开放。对反物质等价原理可能不是正确的，事实上它可能是100% 反真实的。但如果是这样的话, 一个全新的可能性世界将会被解锁。我们可以改变人类在宇宙中所能创造的当前已知的极限。我们将在短短几年内通过最简单的在一个引力场中放置一个反原子并观察它下落在哪个途径实验来了解这个答案。

    我是一位哲学博士、作者和科学传播者,在不同的大学里专业物理学和天文学。自2008年以来,我为我的从一声爆炸开始博客赢得了无数的科学写作奖,包括由博士协会颁发的《最佳科学博客》.....

    天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。