新浪科技訊 北京時(shí)間1月12日消息,據(jù)國外媒體報(bào)道,物質(zhì)與反物質(zhì)之間的極端不平衡是宇宙中最令人困惑的謎題之一。它們都是在大爆炸期間產(chǎn)生,但如今占統(tǒng)治地位的卻是普通物質(zhì),其中緣由我們不得而知。要解決這一謎題,最顯而易見的方法便是觀察反物質(zhì)本身。如果科學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的行為有某種不同,或許就能找到解釋這種極端不平衡的線索。
為此,一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)決定對(duì)氫原子和反氫原子是否具有相同的光譜——吸收和釋放相同波長的光——進(jìn)行測試。他們首次對(duì)一個(gè)反氫原子進(jìn)行了激光光譜分析,但獲得的結(jié)果卻與常規(guī)的氫原子驚人的相似。
捕捉反物質(zhì)
反物質(zhì)具有與普通物質(zhì)相反的電荷。普通的氫原子由一個(gè)質(zhì)子(正電荷)和一個(gè)小得多的電子(負(fù)電荷)組成,而反氫原子由一個(gè)反質(zhì)子(負(fù)電荷)和一個(gè)反電子(又稱正電子,帶正電)組成。
當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)碰撞時(shí),它們會(huì)湮滅,只留下高能質(zhì)子,這也使科學(xué)家很難在實(shí)驗(yàn)室里研究反物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)室中的空氣、人和實(shí)驗(yàn)儀器都由普通物質(zhì)組成,只要有幾個(gè)游蕩的原子,就會(huì)使你的反原子轉(zhuǎn)瞬間就消失得無影無蹤??紤]到制造反物質(zhì)的成本極其昂貴,這樣的情況肯定不能讓人滿意。于是,研究者想出了一個(gè)巧妙的方法:將反物質(zhì)隔離起來,使其無法碰撞到其他任何東西。利用電場,研究人員將反物質(zhì)隔離在一個(gè)被稱為“ALPHA-2”的儀器中,時(shí)間大約為10分鐘。
ALPHA是“反氫激光物理儀器”(Antihydrogen Laser Physics Apparatus)的縮寫,通過該儀器,研究者終于有了一窺反粒子性質(zhì)的機(jī)會(huì)。研究過程中,反物質(zhì)還被冷凍到了0.5開爾文。這樣的冷卻是必要的,可以防止單個(gè)反原子運(yùn)動(dòng)速度過快而逃出“陷阱”。
激光!
隔離反原子之后,研究人員開始利用激光對(duì)反原子進(jìn)行探測。當(dāng)光擊中一個(gè)原子時(shí),如果光的波長合適,光的能量就會(huì)被原子的電子吸收。利用這些額外能量,電子就能躍遷到更高的能級(jí)軌道。之后,電子會(huì)以光的形式釋放出能量,回到原來的軌道。
研究人員希望對(duì)電子釋放的這些光進(jìn)行光譜分析。不同的元素會(huì)釋放出不同波長的光,但任意兩個(gè)氫原子都應(yīng)該產(chǎn)生相同波長的光。而且,根據(jù)已知的物理學(xué),反氫原子也應(yīng)該產(chǎn)生同樣的光譜。
研究人員進(jìn)行了3組11次試驗(yàn)。前兩組中設(shè)置了不同的激光,第三組作為對(duì)照,沒有激光。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)置可以排除一些突然出現(xiàn)或可能影響結(jié)果的系統(tǒng)問題。這些實(shí)驗(yàn)還能幫助鑒別出背景中的宇宙射線。當(dāng)宇宙射線與粒子在大氣層上方碰撞時(shí),會(huì)產(chǎn)生能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)儀器的次級(jí)粒子,而這些粒子可能會(huì)被誤認(rèn)為是隔離的反氫原子發(fā)出的光。
結(jié)果和結(jié)論
實(shí)驗(yàn)令人興奮,但結(jié)果卻并不激動(dòng)人心。到目前為止,來自反氫原子的光譜與氫原子的完全吻合,證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型的部分基本理論。如果實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了不同的光譜,那物理學(xué)界可能就得掀起一番波瀾了。
如果能推翻物質(zhì)和反物質(zhì)粒子間的基礎(chǔ)對(duì)稱(CPT對(duì)稱),其意義就不僅是告訴我們標(biāo)準(zhǔn)模型是錯(cuò)的那么簡單。在數(shù)學(xué)上,反物質(zhì)就相當(dāng)于逆時(shí)間流動(dòng)的普通物質(zhì)粒子。這聽起來有些科幻小說的意味,但現(xiàn)實(shí)卻平淡得多;對(duì)一個(gè)氫原子而言,是不是“逆時(shí)間流動(dòng)”其實(shí)并沒有太大不同。不過,如果有這樣的顛覆性發(fā)現(xiàn),或許就預(yù)示著逆轉(zhuǎn)時(shí)間的可能性,而這是物理學(xué)家十分感興趣的問題。
這項(xiàng)研究的另一個(gè)動(dòng)機(jī)是認(rèn)識(shí)宇宙中物質(zhì)與暗物質(zhì)之間的極端不平衡。如果暗物質(zhì)能提供不一樣的光譜,那就暗示著暗物質(zhì)與普通物質(zhì)存在不同的物理特性,而這或許能為該問題的解答提供線索。
盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有出現(xiàn)上述情況,但研究并不會(huì)止步于此。這只是此類研究中的第一次,從許多方面來說,這也可能是一個(gè)新時(shí)代的開始。“長期以來,這一直被視為低能反物質(zhì)物理學(xué)追求的成就,”研究者在論文中寫道,“它標(biāo)志著一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),從原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槔梅丛拥墓庾V進(jìn)行認(rèn)真的計(jì)量和精確的CPT對(duì)比。”
研究人員采用的實(shí)驗(yàn)方法,包括將更多反原子隔離起來的新方法,都將為未來更深入理解反物質(zhì)提供幫助,也具有更高的確定性,無論是否有新的東西等待發(fā)現(xiàn)。“目前的結(jié)果,以及其他近期研究的結(jié)果,表明對(duì)反物質(zhì)基礎(chǔ)對(duì)稱性的驗(yàn)證方法正在迅速成熟,”研究者在論文中寫道。(任天)
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