一個(gè)帶正電的質(zhì)子，加一個(gè)帶負(fù)電的電子，氫原子是世界上最簡單的原子?，F(xiàn)代物理學(xué)上許多最精妙的理論，卻借這種原子顯現(xiàn)，堪稱大道至簡。

1947年，在紐約州長島東段的謝爾特小島上，一場歷史性的學(xué)術(shù)會議召開，主題是量子力學(xué)與電子問題。美國物理學(xué)家威利斯·尤金·蘭姆(Willis Eugene Lamb)報(bào)告了他在氫原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)發(fā)現(xiàn)。

原來，根據(jù)狄拉克方程計(jì)算，氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)能級相同，可以簡并。然而，蘭姆和同事用新興的微波技術(shù)探測后發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)能級其實(shí)并不吻合，而是存在一個(gè)小小小小的能級差。

就是從這個(gè)小小小小的豁口里，人類迄今為止最精確的理論——量子電動(dòng)力學(xué)破殼而出。這個(gè)能級差后來被命名為“蘭姆位移”，蘭姆本人也憑此獲得了1955年的諾貝爾獎(jiǎng)。

蘭姆在黑板上書寫氫的狄拉克方程與蘭姆位移

2020年2月20日凌晨，發(fā)表在頂級學(xué)術(shù)期刊、英國《自然》雜志上的一篇論文顯示，歐洲核子中心(CERN)的研究團(tuán)隊(duì)在氫原子的反物質(zhì)——反氫原子上同樣觀測到了蘭姆位移。

雖然這次測量出的數(shù)值與理論的吻合程度只有11%，但也足以彰顯出自然的根本對稱性。另一方面，它也加深了人類的疑惑：既然物質(zhì)與反物質(zhì)性質(zhì)如此對稱，為何宇宙卻由正物質(zhì)主導(dǎo)？

對稱與不對稱

有意思的是，從狄拉克方程到量子電動(dòng)力學(xué)的演化，本身就與反物質(zhì)息息相關(guān)。

狄拉克方程是量子力學(xué)與狹義相對論的首次融合，用量子化的觀念來描述原子的不同能級，由此，人們可以計(jì)算出氫原子的精細(xì)能譜。

狄拉克方程也首次預(yù)言了正電子的存在，它與電子的電量相當(dāng)而電荷相反。所有的負(fù)能級被無數(shù)正負(fù)電子對填滿，我們的世界漂浮其上，這就是狄拉克之海的概念。

狄拉克方程刻在他位于西敏寺的墓碑上

不過，正如蘭姆位移所昭示的，狄拉克的理論存在缺陷。他把正電子視作狄拉克之海中的空洞，而非真實(shí)存在的粒子。

只有量子場論把真空的概念也量子化之后，反物質(zhì)的概念才得以進(jìn)一步完善。在微觀世界里，無數(shù)對正反粒子憑空誕生，又瞬間相遇湮滅，形成不斷的量子漲落。

不過，宇宙中可能有某種我們未知的擾動(dòng)，導(dǎo)致正反物質(zhì)并未對稱地產(chǎn)生、湮滅，而是留下了更多的正物質(zhì)，構(gòu)成了我們所知的世界。

量產(chǎn)研究反物質(zhì)

不出意外，做出此次反氫原子蘭姆位移實(shí)驗(yàn)的是世界高能物理重鎮(zhèn)歐洲核子中心。畢竟，要研究反物質(zhì)，首先就得有“量產(chǎn)”反物質(zhì)的能力。

從反電子的概念類推，反氫原子由一個(gè)帶負(fù)電荷的反質(zhì)子和一個(gè)帶正電荷的正電子組成。

電子與正電子

一個(gè)名為反質(zhì)子減速器將在真空管中制造出的“狂奔”粒子降到光速的十分之一以下，送到ALPHA實(shí)驗(yàn)組中。正電子則由一個(gè)鈉放射源提供。

據(jù)《自然》上隨論文附的“新聞與觀點(diǎn)”文章，每隔幾分鐘，就有9萬個(gè)反質(zhì)子和300萬個(gè)正電子在復(fù)雜的帶電粒子陷阱中混合，產(chǎn)生約20個(gè)冷卻的反氫原子。在超導(dǎo)磁鐵制成的中性粒子陷阱中。它們可以保存至少60小時(shí)。

如前所述，人類對氫原子微觀結(jié)構(gòu)的探測走向精細(xì)化的歷程，推動(dòng)了原子理論的進(jìn)化。1880年代，人類首次高精度地測量出氫原子的光學(xué)譜。蘭姆位移則是用射頻波譜完成的。如今，能量更高的激光光譜成為了主流的探測工具。

ALPHA實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)將激光脈沖注入困住反氫原子的陷阱，導(dǎo)致反氫原子從基礎(chǔ)的1S狀態(tài)激發(fā)到2P1/2或2P3/2能級，然后衰減回1S狀態(tài)。

歐洲核子中心用陷阱困住反氫原子

這些反氫原子隨后與壁上的正常原子接觸湮滅，產(chǎn)生帶電的π介子。它們的數(shù)量能夠描述出激光頻率函數(shù)。

最后，研究人員利用這些函數(shù)的峰值位置推算出了1S和2P(1/2)、1S和2P(3/2)之間的能級差。結(jié)果與普通氫原子的蘭姆位移較好地吻合。

看起來，正反物質(zhì)又增加了一處對稱。

那么，世界上的物質(zhì)為何遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)？這種巨大的不對稱性從何而來？這個(gè)研究并沒有解答這個(gè)終極謎題，反而加深了懸念。不過，它起碼為后繼的解題者提供了限制條件，排除了一些錯(cuò)誤方向。