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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(gè)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(shí)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(huì)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(shí)情況是——物理學(xué)家對(duì)它的了解也并不多。

不過，他們構(gòu)思了一個(gè)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(duì)稱"，就像電荷奇偶時(shí)間一樣，如果你把物質(zhì)換成反物質(zhì)，時(shí)間倒轉(zhuǎn)，新的宇宙就會(huì)和當(dāng)前的宇宙一樣。）這只是一種假設(shè)性理論；它需要實(shí)驗(yàn)與測(cè)試去驗(yàn)證，然而這幾乎很難觀測(cè)到。然而，現(xiàn)在他將會(huì)變得容易得多。以瑞士粒子物理實(shí)驗(yàn)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?cè)凇蹲匀唬∟ature）》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)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(duì)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(gè)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(gè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其既具有動(dòng)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(dòng)量但沒有質(zhì)量。當(dāng)一個(gè)光子具有適當(dāng)?shù)哪芰炕虿ㄩL(zhǎng)，這取決于我們想如何看待它擊中一個(gè)原子，這個(gè)原子吸收光子，獲得一些能量，然后再發(fā)射它。在這個(gè)過程中，原子會(huì)產(chǎn)生反沖力，反彈一點(diǎn)。

現(xiàn)在，這些原子在四處移動(dòng)，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(duì)于向激光方向移動(dòng)的光和離開激光方向的光，實(shí)際的波長(zhǎng)會(huì)有所不同。對(duì)觀測(cè)者來說，當(dāng)光源的波長(zhǎng)向外延伸時(shí)，遠(yuǎn)離它們的光源會(huì)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(dòng)的原子——一個(gè)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(shí)我完全可以買一臺(tái)現(xiàn)成的激光器來為我做到這一點(diǎn)?！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(xiàng)目“阿爾法”的發(fā)言人?！暗牵捎跉浜茌p，我需要的那個(gè)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?！霸谶@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(dòng)氫，就必須有一個(gè)波長(zhǎng)很短、能量很高的激光器?！边@臺(tái)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?！澳惚仨氄嬲_地控制頻率，這樣我們才能進(jìn)行多普勒頻移?！辈涣蓄嵏鐐惐葋喆髮W(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(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。

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

需要說明的是，這并不是說你可以把溫度計(jì)插入磁阱。你用不同的方法測(cè)量這種能量。去年，同一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)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(dòng)較慢的原子會(huì)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(shí)，這些冷原子所得到的結(jié)果也正是如此。他們還測(cè)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(shí)間（即湮滅）。這就是所謂的“飛行時(shí)間”，冷卻的原子需要更長(zhǎng)的時(shí)間。他們做到了這一點(diǎn)。

就像你不能精確測(cè)量它們的溫度一樣，你也不能用雷達(dá)槍對(duì)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(dòng)速度僅為每秒10米左右。“如果你的速度足夠快的話，你幾乎可以在原子經(jīng)過的時(shí)候抓住它。”（它會(huì)消滅一個(gè)原子，但整體仍然是十分堅(jiān)固的。）

在這一點(diǎn)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(xiàng)技術(shù)將非常重要，甚至可能是至關(guān)重要。作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)把柄。這真的很重要。它開辟了新的可能性。”

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(duì)論中的等價(jià)原理說，引力相互作用應(yīng)該獨(dú)立于物質(zhì)是否為反物質(zhì)。但沒人確切知道。“我們想知道，如果你有一些反氫，你把它丟掉會(huì)發(fā)生什么。”漢斯特（Jeffrey Hangst）說。

當(dāng)然，不會(huì)真讓你來做。因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)很難做，其中重力實(shí)際上是個(gè)“累贅”。那些熱氣體的東西不會(huì)掉下來，只是彈來彈去。反物質(zhì)會(huì)撞到機(jī)器的墻壁上，然后湮滅?！暗匦囊μ趿耍憧赡苁裁炊伎床灰??！?/p>

不過，把反氫的速度減慢到接近絕對(duì)零度，它開始更像液體而不是氣體。它開始更像液體，而不會(huì)像氣體一樣噴得到處都是?！拔覀兿胫赖牡谝患率牵礆鋾?huì)下降嗎？因?yàn)橛幸粋€(gè)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。”漢斯特（Jeffrey Hangst）說。

物理學(xué)家實(shí)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(huì)墜落，那么你想問，它真的會(huì)以同樣的方式墜落嗎？”漢斯特（Jeffrey Hangst）問道。精確測(cè)量重力引起的加速度在這里是一個(gè)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(duì)于快速移動(dòng)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(duì)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(gè)特定能級(jí)之間的差異值。這個(gè)難以測(cè)量的數(shù)字——蘭姆位移，對(duì)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(gè)都可能回到本文剛開始所提到的一個(gè)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(diǎn)，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(huì)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(yàn)?zāi)承├碚摰臋C(jī)會(huì)在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中并不經(jīng)常發(fā)生。但是，這是最好的開始動(dòng)機(jī)。歐洲核子研究中心的粒子加速器在2018年因一個(gè)大型翻新項(xiàng)目而下線。新冠疫情又導(dǎo)致了該項(xiàng)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(diǎn)亮了?！皼]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(shí)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(huì)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(jì)重力實(shí)驗(yàn)將在8月開始。讓對(duì)其的后續(xù)進(jìn)展我們拭目以待吧。

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