反物質(zhì)，宇宙中神秘的鏡像物質(zhì)，很難制造，也很難研究。一個能讓它冷靜下來的激光可以改變這一切。

反物質(zhì)，目前存在的難題究竟是什么？

目前，關(guān)于反物質(zhì)的問題是——其實根本就沒有（找到）太多的反物質(zhì)。沒有人知道為什么。如果我們從零開始制作這些“反物質(zhì)”，就如同徒手爬上喜馬拉雅山一樣困難。此外，普通物質(zhì)和帶相反電荷的反物質(zhì)如果接觸就會互相湮滅。因此其的制作和保存條件是非常挑剔的。所以，關(guān)于反物質(zhì)的真實情況是——物理學(xué)家對它的了解也并不多。

不過，他們構(gòu)思了一個很好的理論。這一理論：本質(zhì)上是一種描述亞原子粒子行為的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。反物質(zhì)普遍認(rèn)為是能做物質(zhì)所能做的一切事情，只是它穿著一雙向后走的“鞋子”，而且看起來是一樣的。（更正式的說法是 "CPT對稱"，就像電荷奇偶時間一樣，如果你把物質(zhì)換成反物質(zhì)，時間倒轉(zhuǎn)，新的宇宙就會和當(dāng)前的宇宙一樣。）這只是一種假設(shè)性理論；它需要實驗與測試去驗證，然而這幾乎很難觀測到。然而，現(xiàn)在他將會變得容易得多。以瑞士粒子物理實驗室歐洲核子研究中心（CERN）為中心的一大群科學(xué)家，是當(dāng)今世界上制造反氫（氫的反物質(zhì)）的頂尖科學(xué)家。就在上周，他們在《自然（Nature）》雜志上發(fā)表了一項研究成果，結(jié)果表明，這些科學(xué)家可以將這些反物質(zhì)冷凍到只有幾分之一開爾文度的低溫（約為-273℃，接近絕對零度）。冷原子（和反原子）的速度很慢，這使得它們更容易研究。

那么，科學(xué)家們是如何將反物質(zhì)“冷靜下來”的呢？

讓原子冷卻的一個眾所周知的方法是——用激光使原子減速。這比我們想象得更有意義。當(dāng)一個物體運(yùn)動時，其既具有動能，同樣也具有熱能。激光是由光構(gòu)成的，光是由稱為光子的亞原子粒子構(gòu)成的。光子，是電磁能量中最微小的一部分，有動量但沒有質(zhì)量。當(dāng)一個光子具有適當(dāng)?shù)哪芰炕虿ㄩL，這取決于我們想如何看待它擊中一個原子，這個原子吸收光子，獲得一些能量，然后再發(fā)射它。在這個過程中，原子會產(chǎn)生反沖力，反彈一點。

現(xiàn)在，這些原子在四處移動，就像在一團(tuán)氣體中一樣。這就意味著，由于多普勒效應(yīng)的存在，對于向激光方向移動的光和離開激光方向的光，實際的波長會有所不同。對觀測者來說，當(dāng)光源的波長向外延伸時，遠(yuǎn)離它們的光源會看起來更紅。那意味著你可以偷偷摸摸。把激光調(diào)到只向后推以一定速度運(yùn)動的原子——一個高速度的原子，然后再這樣重復(fù)很多遍，就可以讓一切都慢下來。最終，我們可以讓這些反物質(zhì)“冷靜下來”。

這一切都與歐洲核子研究小組制造的反氫有關(guān)。但是反氫有一堆麻煩?！叭绻胰ベI一些銫原子，其實我完全可以買一臺現(xiàn)成的激光器來為我做到這一點?！苯芨ダ铩h斯特（Jeffrey Hangst）說，他是一位物理學(xué)家，也是歐洲核子研究中心反氫激光物理儀器項目“阿爾法”的發(fā)言人。“但是，由于氫很輕，我需要的那個光子是在真空紫外線中。而那種光不能通過空氣傳播。它完全被吸收了。“在這里所說的激光不是激光筆綠色那種光線，而是一種看不見的東西——紫外線。

從物理學(xué)的角度來看，這是極為糟糕的。但研究人員已經(jīng)別無他選了?！拔覀儾荒苤圃斐龇次镔|(zhì)銣或銫?！奔幽么罅Ｗ蛹铀倨髦行腡riumf的研究科學(xué)家、Alpha-Canada小組負(fù)責(zé)人藤原·真一（Makoto Fujiwara）認(rèn)為：“但是，如果你想要驅(qū)動氫，就必須有一個波長很短、能量很高的激光器。”這臺Chillaxatron 5000必須發(fā)出121納米、紫外線很強(qiáng)的光，并將光照射到一瓶完全在真空中含有磁性的反氫中。

如此看來，這是一件極為艱難的事情。“氫很難用激光冷卻，主要問題就在于這些該死的紫外線激光器”，漢斯特（Hangst）如此說道。

在此之中，激光必須精確地完成一系列不同的工作。“你必須真正精確地控制頻率，這樣我們才能進(jìn)行多普勒頻移。”不列顛哥倫比亞大學(xué)的化學(xué)家、激光制造者之一高政·百歲（Takamasa Momose）說。此外，激光器必須在脈沖中輸出足夠的能量，這樣冷卻就不會耗費很長時間。

但這并非不可能。所有這些都是團(tuán)隊一手建立的。當(dāng)他們把它射向反氫時，它就像氫一樣冷卻了，這一現(xiàn)象已經(jīng)是個好兆頭了。

需要說明的是，這并不是說你可以把溫度計插入磁阱。你用不同的方法測量這種能量。去年，同一個團(tuán)隊對他們的反氫進(jìn)行了光譜分析，通過觀察反氫發(fā)射的光譜來分析反氫。移動較慢的原子會發(fā)出較窄的光譜，當(dāng)研究人員觀察它們的激光后原子時，這些冷原子所得到的結(jié)果也正是如此。他們還測試了他們的新研究成果，通過檢查冷卻后的原子從群中彈回并撞擊容器后壁所需的時間（即湮滅）。這就是所謂的“飛行時間”，冷卻的原子需要更長的時間。他們做到了這一點。

就像你不能精確測量它們的溫度一樣，你也不能用雷達(dá)槍對準(zhǔn)反氫原子。藤原（Makoto）認(rèn)為，反氫通常以每秒100米左右的速度飛行，而超冷原子的移動速度僅為每秒10米左右?！叭绻愕乃俣茸銐蚩斓脑?，你幾乎可以在原子經(jīng)過的時候抓住它?！保ㄋ鼤麥缫粋€原子，但整體仍然是十分堅固的。）

在這一點上，我們有理由問這一切是否值得。誰需要非常慢，非常冷的反物質(zhì)？答案是——物理學(xué)家。加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家克利福德·蘇爾科（Clifford Surko）表示：“除非事情真的很糟糕，否則這項技術(shù)將非常重要，甚至可能是至關(guān)重要。作為一個實驗者，我認(rèn)為，現(xiàn)在你有了一整套的技巧，反氫原子的另一個把柄。這真的很重要。它開辟了新的可能性?！?/p>

這些可能性包括弄清反物質(zhì)是否真的與物質(zhì)的物理學(xué)相呼應(yīng)。以引力為例：廣義相對論中的等價原理說，引力相互作用應(yīng)該獨立于物質(zhì)是否為反物質(zhì)。但沒人確切知道?！拔覀兿胫?，如果你有一些反氫，你把它丟掉會發(fā)生什么?！睗h斯特（Jeffrey Hangst）說。

當(dāng)然，不會真讓你來做。因為這個實驗很難做，其中重力實際上是個“累贅”。那些熱氣體的東西不會掉下來，只是彈來彈去。反物質(zhì)會撞到機(jī)器的墻壁上，然后湮滅。“地心引力太弱了，你可能什么都看不見?！?/p>

不過，把反氫的速度減慢到接近絕對零度，它開始更像液體而不是氣體。它開始更像液體，而不會像氣體一樣噴得到處都是?！拔覀兿胫赖牡谝患率牵礆鋾陆祮?？因為有一個瘋狂的邊緣理論認(rèn)為它上升了——理論學(xué)家認(rèn)為物質(zhì)和反物質(zhì)之間有排斥引力。不過這一件事情也太魔幻了?！睗h斯特（Jeffrey Hangst）說。

物理學(xué)家實際上并不需要激光冷卻來觀察反氫是否像“薛定諤的貓”一樣。那將是極為荒誕性的?！暗侨绻覀儸F(xiàn)在假設(shè)，像大多數(shù)理論家那樣，反氫會墜落，那么你想問，它真的會以同樣的方式墜落嗎？”漢斯特（Jeffrey Hangst）問道。精確測量重力引起的加速度在這里是一個短期的游戲，而激光冷卻很可能使之成為可能。

另外，更多的光譜學(xué)也在進(jìn)行研究中。對于快速移動的原子來說，這很難做到，但如果把它們慢下來，阿爾法團(tuán)隊就能比較反氫和氫的光譜。它們的小數(shù)位數(shù)應(yīng)該是相同的。但如果不是呢？這是違反新物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。

該研究小組還希望研究更細(xì)微的物質(zhì)，比如氫的兩個特定能級之間的差異值。這個難以測量的數(shù)字——蘭姆位移，對于反氫和氫來說應(yīng)該是一樣的。同樣，沒人知道是否正確。這些答案中的任何一個都可能回到本文剛開始所提到的一個更大的問題：現(xiàn)在，為什么宇宙幾乎完全是物質(zhì)而不是反物質(zhì)？也沒有人知道這一點，但更仔細(xì)地研究反物質(zhì)可能有助于解釋它。而最終，研究人員也許能夠?qū)⒎礆湓咏Y(jié)合成更穩(wěn)定的反氫分子，一種氫反分子。在那之后，我們希望有一天，也許會出現(xiàn)氫反離子，或者（如果有人發(fā)明了一種制造其他反物質(zhì)元素的方法）更大、光譜上更為有趣的反分子。

這種真正檢驗?zāi)承├碚摰臋C(jī)會在實驗物理學(xué)中并不經(jīng)常發(fā)生。但是，這是最好的開始動機(jī)。歐洲核子研究中心的粒子加速器在2018年因一個大型翻新項目而下線。新冠疫情又導(dǎo)致了該項目重啟的推遲。但是，今年這一反物質(zhì)的研究又被“激光”所點亮了。“沒有什么我們想象不到的事情是用氫氣做的。這一直是可信度的差距——我們什么時候才能證明你能用氫作什么？“漢斯特（Jeffrey Hangst）認(rèn)為，“我想專家們現(xiàn)在會同意我們的設(shè)想的。我們有數(shù)據(jù)，可以得到所需要的溫度。我們有重現(xiàn)性來研究系統(tǒng)效應(yīng)。" 他預(yù)計重力實驗將在8月開始。讓對其的后續(xù)進(jìn)展我們拭目以待吧。

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