歐洲核子研究中心的科學(xué)家首次成功使用激光冷卻反物質(zhì)（來源：Chukman So）

人們相信反物質(zhì)在宇宙中扮演著重要的角色。反物質(zhì)是物質(zhì)的對應(yīng)物，各方面都相同——都有質(zhì)子、中子和電子——但電荷是相反的。根據(jù)當(dāng)前人類對物理定律的最佳理解，今天的宇宙應(yīng)該是由同等數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)一起構(gòu)成的。

但是據(jù)我們目前所看到的，并不是。反物質(zhì)難以捉摸，現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)大難題，就是經(jīng)過幾十年探索后，宇宙中似乎幾乎完全沒有反物質(zhì)的存在，那我們該如何解釋一個(gè)物質(zhì)和反物質(zhì)等量組成的“對稱”宇宙呢？

為了解開這個(gè)宇宙之謎，物理學(xué)家們正在努力研究反物質(zhì)的各種特征。他們對物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微小差異尤其感興趣，這些差異可以解釋所觀察到的不對稱性，進(jìn)而驗(yàn)證現(xiàn)有的物理定律。但研究反物質(zhì)極其困難。產(chǎn)生反物質(zhì)需要巨大的能量，而且它也很容易消失。它一旦與我們周圍的物質(zhì)接觸，就會(huì)自我湮滅。

這個(gè)電磁阱演示器展現(xiàn)其所產(chǎn)生的力是如何留住空間中的帶電粒子的（來源：Niels Madsen）

斯旺西大學(xué)物理學(xué)教授Niels Madsen和歐洲核子研究中心（CERN）的同行研究出了一種制造、捕捉和激光冷卻反物質(zhì)的方法，使反物質(zhì)存在的時(shí)間長到足夠研究人員做出一套更精確的全新測量法。這些實(shí)驗(yàn)很可能成為解決宇宙中反物質(zhì)失蹤之謎的重要一步。

制造反物質(zhì)

正如物質(zhì)是由原子組成的一樣，反物質(zhì)是由反原子組成的。最容易制造的反原子是反氫。1995年歐洲核子研究中心首次創(chuàng)造出了反氫原子，并于2012年首次測量成功。反氫原子是由一個(gè)反電子（被稱為正電子）圍繞一個(gè)反質(zhì)子核旋轉(zhuǎn)組成的（在物質(zhì)中的對應(yīng)物是氫），擁有宇宙中最簡單的原子結(jié)構(gòu)。

但是制造反氫原子并不容易。解決這個(gè)問題的經(jīng)典高能物理方法是使用粒子對撞機(jī)。就像歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，將巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可供我們研究的大量亞原子碎片。粒子加速器可以用來制造反質(zhì)子。但要制造一個(gè)可用的反質(zhì)子就需要100萬個(gè)質(zhì)子和至少2600萬倍最終“存儲(chǔ)”在反質(zhì)子中的能量。所以研究人員制造的每個(gè)反質(zhì)子都異常珍貴。

液態(tài)氦可以幫助我們冷卻電磁阱中的反氫原子，但激光可以進(jìn)一步降低溫度（來源：Niels Madsen）

一旦我們創(chuàng)造了足夠多的反質(zhì)子，就需要反電子（正電子）來構(gòu)建反原子。令人高興的是，可以很容易地從放射源中收集到正電子。收集到核心原料后，研究人員只需要把它們組合起來即可。

研究人員通過迫使反質(zhì)子和反電子在電磁阱中接觸來實(shí)現(xiàn)這一步。至關(guān)重要的是，這些過程必須在真空中進(jìn)行，因?yàn)槿绻戳Ｗ优c儀器的任何部分接觸，它們一接觸就會(huì)湮滅，完全消失。只有在所有這些步驟之后才能形成可用的反氫原子，它們被磁場組合固定在真空中。

測量反氫原子

在這個(gè)狀態(tài)下研究人員可以測量反氫原子。要測量的是在反氫原子的兩個(gè)能態(tài)之間的一個(gè)關(guān)鍵原子躍遷。這種躍遷特別適于精確測量。目前，對這個(gè)氫原子的對應(yīng)物的躍遷，已經(jīng)可以驚人地測到小數(shù)點(diǎn)后15位了。
研究人員把反氫原子的測量精確到小數(shù)點(diǎn)后12位，比最精確的氫測量差了1000倍，但仍是目前最好的反氫測量。但因?yàn)榉丛觿?dòng)能的緣故，測量中有個(gè)關(guān)鍵限制就是電磁阱中反原子的運(yùn)動(dòng)。通過進(jìn)一步減少這種運(yùn)動(dòng)，測量就能更精確。研究人員正是通過激光爆破反原子實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

激光冷卻

激光中的光是由光子組成的，光子本身具有動(dòng)量。當(dāng)一個(gè)原子吸收光子時(shí)，原子的速度略有變化。通過遵循這一基本原理，可以利用激光束中包含的動(dòng)量來減少被捕獲反原子的動(dòng)能，并將它們冷卻到接近絕對零度。
這要求研究人員只在反原子向激光移動(dòng)時(shí)，才用光子撞擊它們，因?yàn)樗鼘?shí)際上會(huì)抵消反原子的一些速度，有點(diǎn)兒像你必須用力才能讓蕩秋千的孩子擺蕩速度慢下來。通過使用這種定向激光冷卻，研究人員成功地將儲(chǔ)存的反氫原子溫度降低了10倍，這就有可能將未來的測量精度提高到原來的4倍。

研究人員還沒有完成足夠的測量，無法發(fā)布關(guān)于反氫原子的更精確的新數(shù)據(jù)，但很快就會(huì)做到。此外，激光冷卻技術(shù)使研究人員在物質(zhì)和反物質(zhì)的許多測量上走上了一條更加精確的道路，也使得離更加精確地測量氫本身又近了一步。

激光冷卻技術(shù)為測量反氫原子開辟了令人興奮的可能性。結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，使能夠積累相對大量的反氫原子（每天都能制造出成千上萬的反原子）。研究人員很快就會(huì)知道更多關(guān)于反氫原子的本質(zhì)以及額外的知識(shí)，從而幫助我們理解為什么反物質(zhì)在宇宙中無處不在，卻又如此難以捉摸。