阿尔伯特·爱因斯坦提出 广义相对论 时，并不知道反物质的存在，但该理论自那时以来一直指导着我们 对引力的理解。一个多世纪后，科学家们仍在争论引力如何影响反物质，即那些构成我们自身和我们周围世界的粒子的难以捉摸的镜像版本。换句话说，一滴反物质是向下落还是向上升？
普遍的物理学观点认为它应该向下落。广义相对论的一个基本原理，即 弱等效原理，暗示引力并不关心物体是物质还是反物质。同时，一小部分专家认为，反物质向上落可能可以解释，例如，可能主导我们宇宙的神秘暗能量。
恰好，粒子物理学家现在有了第一个直接证据表明反物质会向下落。反氢激光物理装置（ALPHA）合作项目，一个总部设在欧洲核子研究中心（CERN）的国际团队，首次测量了引力对反物质的影响。ALPHA 团队于今日在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。
[相关：什么是物质？它不像你想象的那么基本。]
宇宙中的每一个粒子都有一个反物质对应物，它们具有相同的质量和相反的电荷；这些反粒子隐藏在自然界中，但已被 在宇宙射线中探测到，并且几十年来 用于医学成像。但实际上以任何有意义的数量创造反物质是棘手的，因为一旦物质粒子与其敌对反粒子相遇，两者就会湮灭成纯能量。因此，反物质必须被小心地与所有物质隔离，这使得丢弃它或以任何方式操纵它变得更加困难。
“反物质的一切都具有挑战性，”丹麦奥尔堡大学物理学家、ALPHA 团队成员 杰弗里·汉格斯特（Jeffrey Hangst） 说。“处理它真的很令人沮丧。”
更具挑战性的是，在原子和亚原子粒子的微观尺度上，引力极其微弱。早在 20 世纪 60 年代，物理学家们就 开始考虑 测量引力对正电子（或反电子）的影响，正电子带正电而非负电。可惜的是，这种电荷使得正电子容易受到微弱电场的影响——而 电磁力会压倒引力。
因此，为了正确测试引力对反物质的影响，研究人员需要一种中性粒子。正如加州大学伯克利分校的物理学家、ALPHA 团队另一位成员 乔尔·法詹斯（Joel Fajans） 所说，唯一“在视野之内”的就是反氢原子。
反氢是反元素周期表中的第一个、最基本的元素。就像普通的氢原子由一个质子和一个电子组成一样，最基本 al反氢原子由一个带负电的反质子和一个绕其运行的正电子组成。物理学家们直到 20 世纪 90 年代才 创造出反氢原子；直到 2010 年才 能够捕获和储存一些。
“我们不得不学会如何制造它，然后学会如何保持它，然后学会如何与它互动，等等，”汉格斯特说。
克服了这些障碍后，他们终于能够研究反氢的性质——例如它在引力下的行为。在最新的论文中，ALPHA 团队设计了一个垂直的真空容器，围绕着一个没有物质的垂直管道，以防止反氢过早湮灭。科学家们将管道的一部分包裹在超导磁“瓶”中，产生一个磁场，将反氢固定在那里，直到他们需要使用它。
建造这个装置花费了数年时间。“我们在完全不使用反物质的情况下，花费了数百小时来研究磁场，以说服自己我们知道我们在做什么，”汉格斯特说。为了产生足够强的磁场来 удержи反氢，他们不得不将设备冷却到零下 452 华氏度（约零下 269 摄氏度）。
然后，ALPHA 团队降低了磁场的强度，打开了瓶子的顶部和底部，让反氢原子自由落下，直到它们撞击到管壁。他们测量了这些原子湮灭的位置：是在反物质被束缚位置的上方还是下方。大约 80% 的原子在陷阱下方几厘米处落下，这与普通氢原子在相同设置下的行为一致。（另外 20% 则直接逸出。）
“做这个实验很有趣，”法詹斯说。“人们已经思考这个问题一百年了……我们现在有了明确的答案。”
世界各地的其他研究人员现在正试图复制这项结果。其中就包括欧洲核子研究中心的另外两个合作项目，GBAR 和 AEgIS，它们也专注于反氢原子。ALPHA 团队本身希望改进他们的实验，以获得对结果更强的信心。
例如，当《自然》杂志研究的作者计算出反氢原子在引力作用下向下加速的速率时，他们发现该速率是普通氢原子预计速率的 75%。但他们预计，当他们重复这些观测以获得更精确的结果时，这种差异将会消失。“这个数字和这些不确定性基本上与我们对引力在我们实验中表现的最好预期一致，”曼彻斯特大学物理学家、ALPHA 团队另一位成员 威廉·伯茨切（William Bertsche） 说。
但也有可能引力对物质和反物质的影响方式不同。这种异常将使弱等效原理——以及更广泛地说，整个广义相对论——受到质疑。
解决这个基本问题也可能为宇宙的起源提供更多答案。反物质是物理学一个重大未解之谜的核心：为什么我们看不到更多反物质？我们的物理定律明确规定，大爆炸应该创造出等量的物质和反物质。如果是这样，我们宇宙的这两半本应在大爆炸后不久就互相湮灭。
[科学美国人相关报道：世界上最大的粒子加速器如何争分夺秒地制造大爆炸后的等离子体]
相反，我们观察到的宇宙充满了物质，而缺乏可辨别的反物质来平衡它。要么是大爆炸创造了无法解释的物质过剩，要么是发生了某种未知的事情。科学家们称这个宇宙之谜为 重子生成问题。
“你发现的任何氢与反氢之间的差异都将是解决重子生成问题的一个极其重要的线索，”法詹斯说。
