歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家于12月19日在《自然》在線發(fā)表了一篇關(guān)于反氫原子的光譜測量的論文，這是研究人員花費(fèi)了20多年時(shí)間所追尋的成果。 ALPHA-2實(shí)驗(yàn)（? CERN） 為了理解這項(xiàng)研究的重要性，我們得從反物質(zhì)開始說起。 反物質(zhì)一直是科幻小說里的?？?。在《天使與魔鬼》中，壞人們就試圖用反物質(zhì)炸彈摧毀梵蒂岡，湯姆·漢克斯扮演的蘭登教授帥氣的阻止了這個(gè)陰謀。在《星際迷航》里，企業(yè)號(hào)宇宙飛船的燃料正是反物質(zhì)，利用正反物質(zhì)的湮滅作為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)光速飛行。 但反物質(zhì)并不僅存在于科幻中。例如，在生活中，有一種水果就會(huì)產(chǎn)生反物質(zhì)。 那就是香蕉！ 香蕉含有少量的鉀-40，它在衰變的過程中偶爾釋放出一個(gè)正電子（也就是電子的反物質(zhì)）。其實(shí)，我們的身體也包含了鉀-40，也就是說你自己也會(huì)釋放正電子。除此之外，反物質(zhì)也被運(yùn)用在醫(yī)學(xué)中，科學(xué)家也在研究反物質(zhì)推進(jìn)器等等。 反物質(zhì)燃料。（? Sandbox Studio） 當(dāng)然，研究反物質(zhì)還有一個(gè)更重要的原因。在138億年前，宇宙剛剛誕生，物理學(xué)家相信應(yīng)該有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)被創(chuàng)造出來。如果是那樣，物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該全都湮滅，只留下純粹的能量。但是我們今天所觀測到的宇宙到處都是由物質(zhì)構(gòu)成的，反物質(zhì)去哪里了？（查看《為什么我們是由物質(zhì)組成的？而不是反物質(zhì)？》的詳細(xì)討論。）這是物理學(xué)最大的基本問題之一。因此物理學(xué)家想要通過研究反物質(zhì)找出它們的一些意想不到的行為。 而我們已經(jīng)邁出重要的一步。 在CERN的ALPHA實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家對(duì)準(zhǔn)的目標(biāo)是反氫原子。 左邊為氫原子，右邊為反氫原子。（? Antonine） 原子是由圍繞原子核的電子構(gòu)成。當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，它們會(huì)吸收或發(fā)生特定波長的光，形成原子的光譜。每個(gè)元素都有自己獨(dú)特的光譜，因此被廣泛應(yīng)用在物理學(xué)、天文學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域。例如，通過分析遙遠(yuǎn)恒星的光譜我們就可以知道它們的組成成分。 氫原子的能譜。電子在不同軌道之間的躍遷會(huì)吸收或釋放出特定波長的光子。（? Hyperphysics） 氫原子是由一個(gè)電子和質(zhì)子組成的，它是宇宙間含量最豐富的粒子，它的光譜也已非常高的精度被測量。而反氫原子則是由一個(gè)正電子和反質(zhì)子構(gòu)成的，我們對(duì)它的了解并不多。 而且，反氫原子并不存在于自然界之中。因?yàn)槲镔|(zhì)和反物質(zhì)粒子會(huì)相互湮滅，反氫原子一旦接觸到物質(zhì)就會(huì)迅速的消失。因此物理學(xué)家需要在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造反氫原子。 為了困住反氫原子，物理學(xué)家利用電場在圓柱形的真空腔內(nèi)的一端困住了160萬個(gè)正電子和另一端困住9萬個(gè)反質(zhì)子。他們將正電子和反質(zhì)子結(jié)合在一起形成25000個(gè)中性（不帶電）的反氫原子，接著立即用磁場捕獲。而這一點(diǎn)也不容易。 將正電子和反質(zhì)子困在圓柱形真空腔的兩端，當(dāng)它們結(jié)合時(shí)會(huì)產(chǎn)生中性的反氫原子。 想要移動(dòng)和捕獲正電子或反質(zhì)子很容易，因?yàn)樗鼈兌际菐щ娏Ｗ?。但是反氫原子是不帶電的，設(shè)計(jì)這種捕獲陷阱要困難的多。靠著反氫原子帶有一點(diǎn)點(diǎn)的磁性，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)非常特殊的磁阱能夠?qū)⒎礆湓永ё?，才使進(jìn)一步研究如何用光確定反物質(zhì)的各種性質(zhì)成為可能。 通過這個(gè)新的方法，科學(xué)家可以之前的設(shè)計(jì)捕獲更多反氫原子。接著他們通過真空腔上的窗口向里面照射波長243納米的激光，測量反氫原子1S - 2S的躍遷（從基態(tài)向更高能量的激發(fā)態(tài)躍遷）。測量結(jié)果表明反氫原子的躍遷頻率與普通氫原子的躍遷頻率一致。 CPT對(duì)稱。（? Chad Ozel） 反氫原子和氫原子之間的相似性符合CPT對(duì)稱的原理。CPT對(duì)稱是指物理定律在電荷共軛（把粒子換成反粒子）、宇稱（鏡像中的世界）、時(shí)間反演的聯(lián)合變換下保持不變。到目前為止科學(xué)家并沒有發(fā)現(xiàn)任何物理情況是違反CPT對(duì)稱的，而反氫原子提供了這么一個(gè)機(jī)會(huì)讓我們?nèi)ヲ?yàn)證這個(gè)規(guī)則。 下一步，研究人員會(huì)通過利用更多不同波長的激光對(duì)反氫原子的光譜進(jìn)行測量，以確定反物質(zhì)和物質(zhì)之間的對(duì)稱性。ALPHA的團(tuán)隊(duì)也將建造一個(gè)新的儀器，并稱之為ALPHA-g（字母“g”代表引力），用來驗(yàn)證反物質(zhì)是如何下落的——引力對(duì)于物質(zhì)和反物質(zhì)是否一樣。 我們希望在未來的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)物質(zhì)和反物質(zhì)之間的確存在著意想不到的區(qū)別。打破對(duì)稱性或許是通往更深層基本原理的重要一步。 |
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