# 反氢

拉普拉斯的迷你世界 · 图版 F52 · 能源、航天与探测 · 探测

> 一个反质子加一个正电子，就是一个反氢原子。CERN 的 ALPHA 合作组把它们关进磁场，攒到约一百个，再慢慢放走：磁场上下对称时，从下面出去的更多。

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- 更新于：2026-10-26

## 01 它往下掉

2023 年 9 月，ALPHA 合作组在《自然》上报告：反氢原子受地球的引力往下。测得的加速度是 a = (0.75 ± 0.13 ± 0.16) g，第一项误差来自统计和系统，第二项来自模拟，g 取 9.81 米每二次方秒。在误差范围内，这和普通物质的 1 g 相符。

论文据此排除了大小为 1 g、方向朝上的“反引力”。精度还很粗：CERN 的说法是约为 g 的 20 %。对普通物质，同一个问题在地球轨道上已经检验到 10⁻¹⁵ 量级。

*(0.75 ± 0.13 ± 0.16) g · 排除 1 g 的反引力 · 2023*

## 02 反物质

每种粒子都有一个反粒子：质量相同，电荷相反。1932 年，Carl Anderson 在宇宙线里看到了正电子，1936 年获诺贝尔物理学奖；1955 年，Chamberlain、Segrè 等人在伯克利的 Bevatron 加速器上造出了反质子，1959 年获奖。

粒子遇上它的反粒子会湮灭，变成别的东西：电子和正电子静止时湮灭，放出两个各 511 keV 的光子；反质子碰上原子核，变成几个 π 介子，带电的平均约 2.6 个。一个反质子加一个正电子，就是一个反氢原子。

*正电子 1932 · 反质子 1955 · e⁺e⁻ → 2 × 511 keV*

## 03 抓住它

带电的反粒子能用电场和磁场关住，但对杂散的场太敏感：论文算过，地球对一个质子的引力，只相当于每米约 10⁻⁷ 伏的电场。要看引力，得用不带电的反物质：反氢原子。

1995 年，CERN 的 LEAR 第一次造出反氢：9 个原子，每个只存在约 40 纳⁠秒。2002 年，ATHENA 和 ATRAP 造出冷的反氢，但它们很快撞上容器壁。2010 年，ALPHA 第一次关住了反氢，38 个；2011 年关了 1 000 秒；2025 年报告一次同时关住 15 000 多个。

*1995：9 个 · 2010：38 个 · 2011：1 000 秒 · 2025：15 000 多个*

## 04 磁瓶

反氢不带电，但它像一块小磁铁。关得住的反氢原子，总被推向磁场较弱的地方。所以要造一个中间弱、四周强的磁场：八极线圈让场越靠外越强，上下两个镜像线圈把两端的场抬高。磁阱另见图版“玻色–爱因斯坦凝聚”。

ALPHA-g 底部的这个阱，原子能待的地方是一个直径 4.4 厘⁠米、高 25.6 厘⁠米的圆柱。背景场 1 特⁠斯⁠拉，两端约 1.74 特⁠斯⁠拉。阱深约 0.5 开：这是按温度换算的深度，不是阱的温度，只有能量更低的原子留得住。线圈都是超导的，泡在约 4 开的液氦里。

*直径 4.4 厘⁠米 · 高 25.6 厘⁠米 · 1 → 1.74 特⁠斯⁠拉 · 深约 0.5 开*

## 05 剖开：竖起来的阱

ALPHA-g 是竖着放的。论文的图里，主螺线管约 3 米高，整套装置从底部的入口到顶上的探测器有好几米。最外面的主螺线管内径 510 毫⁠米，给出 1 特⁠斯⁠拉的竖直磁场。

往里是 64 根 2.6 米长的塑料闪烁体，围成一圈；再往里是径向时间投影室，半径 10.9 到 19.0 厘⁠米，高 230 厘⁠米；然后是隔热真空、液氦和超导线圈；最中间是一串环形电极，围着超高真空。整台装置有三个阱区，这次只用了最下面那个。这里的塔按 1:20 做，旁边是那个阱区的放大剖段。

*1 特⁠斯⁠拉 · 内径 510 毫⁠米 · 闪烁体 64 根 · 时间投影室 r = 10.9⁠–⁠19.0 厘⁠米*

## 06 两种原料

反质子是撞出来的：CERN 的质子同步加速器把 26 GeV 的质子打在铱靶上，约 30 万个质子换来一个反质子。周长 182 米的反质子减速器（AD）用约 100 秒把它们减到 5.3 MeV，周长 30.4 米的 ELENA 环再减到 100 keV。ELENA 约每 120 秒给 ALPHA-g 送来 750 万个，约 50 万个被抓住。

正电子来自放射性的钠-22，半衰期 2.6 年。固态氖把它们放慢，一台充氮气的 Surko 型累积器把它们攒起来，每次混合约用 300 万个。两种粒子都从塔底的入口进来，一边一个。

*26 GeV → 5.3 MeV → 100 keV · 每 120 秒 750 万个，抓住约 50 万个 · 钠-22*

## 07 合成

带电的粒子关在彭宁–马尔姆伯格阱里：竖直的磁场让它们不能横着跑，电极上的电压在上下两头挡住它们。反质子先被预先装进去的电子冷却。正电子和反质子各成一团，调好大小和密度，在中间的电极里汇到一起，一部分结合成反氢原子。

刚生成的原子大多太“热”，留不住：2017 年的数据里，约 2 000 个只关住 1 个。ALPHA-g 每次混合只能关住几个，于是一次次地攒，50 次约 4 小⁠时，攒下约 100 个。2024 年，ALPHA-2 用铍离子冷却正电子，一次 4 分钟能关住 163 个，约是以前最好纪录的 8 倍。

*每次约 300 万个正电子 · 50 次约 4 小⁠时，约 100 个原子*

## 08 看见湮灭

原子一碰到墙，就和墙里的原子核湮灭，射出几个带电的 π 介子。径向时间投影室里是 70 % 氩、30 % 二氧化碳；π 介子穿过时打出电子，电子沿半径漂到外壁，由 256 根阳极丝和 18 432 块读出板记下。几条径迹往回推，交点就是湮灭的位置，上下能定到约 2 厘⁠米。

最大的干扰是宇宙线，每秒约 70 次。外圈的 64 根闪烁体帮忙判断事件的形状，再用机器学习的分类器把宇宙线压低约 350 倍。

*256 根丝 · 18 432 块读出板 · 竖直约 2 厘⁠米 · 宇宙线压低约 350 倍*

## 09 它的光

按 CPT 对称性，反氢的能级应该和氢一模一样。氢最精确的一条谱线是 1S–2S：吸收两个 243 纳⁠米的紫外光子，跳到第一激发态。这些光谱都是在 ALPHA-2 里测的，那是旁边的另一台阱。

2 466 061 103 079.4 ± 5.4 kHz：这是 2018 年 ALPHA 测得的反氢 1S–2S 频率，与按同样磁场算出的氢的值一致到 2 × 10⁻¹²。基态的超精细分裂 2017 年测出，2026 年精确到 4 ppm；2018 年还看到了 121.6 纳⁠米的莱曼-α 跃迁。到目前为止，没有发现反氢和氢有任何差别。

*1S–2S：一致到 2 × 10⁻¹²（2018）· 超精细分裂 4 ppm（2026）*

## 10 用光冷却

原子越冷，测得越准。2021 年，ALPHA 第一次用激光冷却了反氢，用的是 121.6 纳⁠米的莱曼-α 光：原子迎着光跑时更容易吸收光子，被往回推。原子横向动能的中位数从 15.1 降到 1.3 微⁠电⁠子⁠伏，降了十倍以上。激光冷却另见图版“玻色–爱因斯坦凝聚”。

冷下来以后，1S–2S 谱线的宽度从 57.6 kHz 收窄到 14.4 kHz，约四分之一。引力论文说，更冷的原子会让下一节那条曲线更陡、测得更准，激光冷却是这个方向上的一步。

*15.1 → 1.3 微⁠电⁠子⁠伏 · 谱线 57.6 → 14.4 kHz（2021）*

## 11 称一称

在阱里，引力极弱：对一个氢原子，25.6 厘⁠米的高差只相当于约 0.3 毫⁠开，阱深约 0.5 开，差了一千多倍。所以不能一下关掉磁场，而是在 20 秒里把上下两个镜像线圈的电流一起慢慢降下来；原子在后 10 秒里从较低的一端漏出去，撞墙湮灭。模拟说，若是普通的氢，两端的场相等时约 80 % 从下面出去。

两端的场只要差 4.53 × 10⁻⁴ 特⁠斯⁠拉，就能冒充 1 g 的引力。ALPHA-g 故意加上这样的偏置，从 −3 g 到 +3 g，每档做 6 到 7 次，约 30 天。不加偏置时，扣掉宇宙线后数到 94.5 个向下、36.7 个向上，约 72 % 从下面出去；平衡点在 −1 g 附近。

*20 秒放完 · 1 g ≙ 4.53 × 10⁻⁴ 特⁠斯⁠拉 · 不加偏置：约 72 % 向下*

## 12 它还没说的

这个结果说明反物质受引力往下，大小与 1 g 相符；它没有测出反物质和物质的差别，也解释不了宇宙里为什么几乎只剩物质。被排除的只是大小为 1 g 的反引力，误差约两成，比普通物质的检验粗得多。ALPHA-g 设计的目标是好于 1 %，论文也设想用竖直的阱做喷泉式的干涉测量。

反物质也不是能源。按本页的计算，1 克反物质和 1 克物质湮灭，放出约 1.8 × 10¹⁴ 焦，约 4.3 万⁠吨 TNT；可按 CERN 说的每小时最多约 3 000 个，造 1 纳克要约 2 300 万年。2025 年那 15 000 多个原子全部湮灭，只有约 4.5 微焦。

*约 20 %，物质已到 10⁻¹⁵ · 1 纳克要约 2 300 万年*

## 13 拆开来看

闪烁体、时间投影室、隔热真空壁、液氦容器、镜像线圈、两个八极线圈、超高真空管和电极，一层层从剖段里升起来。

指针停在哪一件上（手机上轻点一下），那一件便单独托起，标出名字，其余的淡去。

## 14 放走它们

拉杆是偏置：上端镜像线圈 G 比下端 A 多出的场，按它冒充的重力换算成 g。按“放走”，两个线圈的电流在 20 秒里降下来，原子一个个漏出、撞墙湮灭，向上和向下的个数记在读数里。

这是本页的简化模型，不是论文的模拟：每个原子从两端较低的势垒出去，阱的三维效应用一个约 1.4 g 宽的随机散布代替。图上的点是表 1 的计数算出的向下比例。选“没有引力”或“反引力”，模型的曲线向右移，测量的点不动。

**试一试**：把偏置拉到 −1 g，放走原子：上下各走多少？换成“反引力”，曲线往哪边移？

## 模型省略了什么

塔按 1:20 做，按论文图 1a 量取，比例由时间投影室公开的半径定；公开的尺寸只有阱（4.4 × 25.6 厘⁠米）、时间投影室、64 根闪烁体和主螺线管 510 毫⁠米的内径，其余是从图上读的，误差约一成。塔顶和塔底的真空腔、阀门、泵和支架是示意。放大的剖段按 1:4.2，线圈的高度取自图 1b，线圈、电极和各层壁的半径是估计；电极画成镀金，按 ALPHA 的电极。八极线圈表面的绕线是画上去的图案。剖段的上下两个面是“切口”，涂成红色。液氦和气体没有画出来。原子、正电子、反质子和湮灭画得大得多、慢得多：真实的原子每秒约跑 100 米，π 介子接近光速；径迹的弯曲和闪烁体亮起的样子是示意。磁场的曲线由本页的一个简单线圈模型算出，按论文两端 1.74 特⁠斯⁠拉定标。实验台是玩具模型，不是论文的模拟。

## 几个常见的误解

“反物质往上掉”不对：ALPHA-g 排除了大小为 1 g 的反引力。“反物质的引力和物质完全一样”也说过头了：结果是与 1 g 相符，误差约两成。a = 0.75 g 不是说它只受四分之三的引力，它在误差之内。原子不是从高处扔下去的：它们在阱里来回跑，20 秒里从两端漏出，看的是从哪一端出去。0.5 开是阱的深度，不是温度；阱壁约 4 开。磁阱靠的是反氢的磁性，不是电荷，它不带电。反质子不是减速器造的：它们在靶上撞出来，减速器只是把它们放慢。反质子湮灭主要变成 π 介子，不是伽马射线。光谱测量是在 ALPHA-2 里做的，引力测量在 ALPHA-g。到目前为止，没有测出反氢和氢有任何差别，这些测量也解释不了宇宙里物质为什么比反物质多。反物质不是能源：造它花的能量远多于它放出的。

## 常见问题

### 反物质受地球引力往下掉吗？

2023 年 9 月，ALPHA 合作组在《自然》上报告：反氢原子受地球的引力往下。

见：[01 它往下掉](https://world.lapla.si/zh/antihydrogen/#now)

### 反氢原子被关在多大的地方？

ALPHA-g 底部的这个阱，原子能待的地方是一个直径 4.4 厘⁠米、高 25.6 厘⁠米的圆柱。

见：[04 磁瓶](https://world.lapla.si/zh/antihydrogen/#bottle)

### 在磁阱里引力有多弱？

在阱里，引力极弱：对一个氢原子，25.6 厘⁠米的高差只相当于约 0.3 毫⁠开，阱深约 0.5 开，差了一千多倍。

见：[11 称一称](https://world.lapla.si/zh/antihydrogen/#gravity)

### 反质子是怎么得到的？

反质子是撞出来的：CERN 的质子同步加速器把 26 GeV 的质子打在铱靶上，约 30 万个质子换来一个反质子。

见：[06 两种原料](https://world.lapla.si/zh/antihydrogen/#source)

### 反氢和氢有没有差别？

到目前为止，没有发现反氢和氢有任何差别。

见：[09 它的光](https://world.lapla.si/zh/antihydrogen/#spectrum)

## 资料来源

1. [Anderson 等（ALPHA，2023）：Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter，Nature 621, 716（a = (0.75 ± 0.13 ± 0.16) g；表 1；图 1；20 秒；4.4 × 25.6 厘⁠米；rTPC 和闪烁体）](https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1)
2. [CERN（2023）：ALPHA experiment at CERN observes the influence of gravity on antimatter（约 20 %）](https://home.cern/alpha-experiment-at-cern-observes-the-influence-of-gravity-on-antimatter/)
3. [Amole 等（ALPHA，2014）：The ALPHA antihydrogen trapping apparatus，NIM A 735, 319（八极与镜像线圈；镀金电极；钠-22 与累积器；硅探测器）](https://doi.org/10.1016/j.nima.2013.09.043)
4. [Baker 等（ALPHA，2023）：Design and performance of a novel low energy multispecies beamline for an antihydrogen experiment，Phys. Rev. Accel. Beams 26, 040101（主螺线管内径 510 毫⁠米；从下方进入）](https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.26.040101)
5. [Hori、Walz（2013）：Physics at CERN’s Antiproton Decelerator，Prog. Part. Nucl. Phys. 72, 206（26 GeV 质子；铱靶；反质子产额）](https://arxiv.org/abs/1304.3721)
6. [Oelert（2015）：The ELENA project at CERN，Acta Phys. Pol. B 46, 181（AD 182 米；ELENA 30.4 米；5.3 MeV → 100 keV）](https://arxiv.org/abs/1501.05728)
7. [Ponce 等（2022）：ELENA – from commissioning to operation，IPAC2022](https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2022-THOXGD1)
8. [Ahmadi 等（ALPHA，2017）：Antihydrogen accumulation for fundamental symmetry tests，Nat. Commun. 8, 681（每次关住约 14 个，约 2 000 个里一个）](https://doi.org/10.1038/s41467-017-00760-9)
9. [ALPHA 合作组（2025）：Be⁺ assisted, simultaneous confinement of more than 15000 antihydrogen atoms，Nat. Commun. 16, 10106（163 个每 4 分钟；约 8 倍）](https://doi.org/10.1038/s41467-025-65085-4)
10. [Andresen 等（ALPHA，2010）：Trapped antihydrogen，Nature 468, 673（38 个）](https://doi.org/10.1038/nature09610)
11. [Andresen 等（ALPHA，2011）：Confinement of antihydrogen for 1,000 seconds，Nat. Phys. 7, 558](https://doi.org/10.1038/nphys2025)
12. [Ahmadi 等（ALPHA，2016）：An improved limit on the charge of antihydrogen from stochastic acceleration，Nature 529, 373](https://doi.org/10.1038/nature16491)
13. [Ahmadi 等（ALPHA，2017）：Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen，Nature 541, 506（243 纳⁠米）](https://doi.org/10.1038/nature21040)
14. [Ahmadi 等（ALPHA，2017）：Observation of the hyperfine spectrum of antihydrogen，Nature 548, 66](https://doi.org/10.1038/nature23446)
15. [Ahmadi 等（ALPHA，2018）：Characterization of the 1S–2S transition in antihydrogen，Nature 557, 71（2 × 10⁻¹²）](https://doi.org/10.1038/s41586-018-0017-2)
16. [Ahmadi 等（ALPHA，2018）：Observation of the 1S–2P Lyman-α transition in antihydrogen，Nature 561, 211](https://doi.org/10.1038/s41586-018-0435-1)
17. [Baker 等（ALPHA，2021）：Laser cooling of antihydrogen atoms，Nature 592, 35（15.1 → 1.3 µeV；57.6 → 14.4 kHz）](https://doi.org/10.1038/s41586-021-03289-6)
18. [ALPHA 合作组（2026）：Four ppm measurement of the antihydrogen ground-state hyperfine splitting，Nature 653, 1022](https://doi.org/10.1038/s41586-026-10556-x)
19. [CERN（1996）：First atoms of antimatter produced at CERN（9 个，约 40 纳⁠秒）](https://home.cern/first-atoms-antimatter-produced-cern/)
20. [Amoretti 等（ATHENA，2002）：Production and detection of cold antihydrogen atoms，Nature 419, 456](https://doi.org/10.1038/nature01096)
21. [Gabrielse 等（ATRAP，2002）：Background-Free Observation of Cold Antihydrogen…，Phys. Rev. Lett. 89, 213401](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.213401)
22. [Anderson（1933）：The Positive Electron，Phys. Rev. 43, 491](https://doi.org/10.1103/PhysRev.43.491)
23. [Chamberlain、Segrè、Wiegand、Ypsilantis（1955）：Observation of Antiprotons，Phys. Rev. 100, 947](https://doi.org/10.1103/PhysRev.100.947)
24. [诺贝尔奖：The Nobel Prize in Physics 1936（Carl D. Anderson）](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1936/summary/)
25. [诺贝尔奖：The Nobel Prize in Physics 1959（Emilio Segrè、Owen Chamberlain）](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1959/summary/)
26. [Parthey 等（2011）：Improved Measurement of the Hydrogen 1S–2S Transition Frequency，Phys. Rev. Lett. 107, 203001](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.203001)
27. [Touboul 等（MICROSCOPE，2022）：Final Results of the Test of the Equivalence Principle，Phys. Rev. Lett. 129, 121102（10⁻¹⁵）](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.121102)
28. [Bertsche（2018）：Prospects for comparison of matter and antimatter gravitation with ALPHA-g，Phil. Trans. R. Soc. A 376, 20170265（1 % 的目标）](https://doi.org/10.1098/rsta.2017.0265)
29. [CERN：Antimatter（湮灭；每小时最多约 3 000 个）](https://home.cern/science/physics/antimatter)
30. [CERN：The Antiproton Decelerator](https://home.cern/science/accelerators/antiproton-decelerator)

## 数据

The tower follows the ALPHA collaboration’s drawing of the ALPHA-g apparatus (Anderson et al., Nature 621, 716 (2023), Fig. 1a, CC BY 4.0), scaled by the radial time projection chamber’s published radii; the enlarged trap follows Fig. 1b’s coil heights. The published sizes are the trap (4.4 cm × 25.6 cm), the rTPC, the 64 scintillator bars and the solenoid’s 510 mm bore; the rest is read off the drawing, and the notes list what is simplified. The escape counts are the paper’s Table 1. The on-axis field, the down-shares, the unit conversions and the release laboratory’s toy model are computed by this page (docs/plates/antihydrogen/computed-\*.py, tests/antihydrogen.test.js); the toy is not the collaboration’s simulation. Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).

## 许可 CC BY-NC 4.0

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## 引用这幅图版

拉普拉斯的迷你世界，图版 F52《反氢》，https://world.lapla.si/zh/antihydrogen/，CC BY-NC 4.0，2026-10-26 更新。