科学家精确比较原子和反原子

物理学家调整激光来进行反氢原子测试。照片来源:maximilienbridge/cern

任何一个《星际迷航》的粉丝都知道，反物质被认为是与物质完全相反的东西，所以如果两者接触，它们会在发射出一瞬间的纯能量光后互相抵消。现在，经过几十年的尝试，物理学家已经准确地将原子与反原子进行了比较。两者似乎在一个小的不确定性中表现出相同的方式，而研究结果以一种复杂的方式支持阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论的基石。它还为物质和暗物质之间更严格的比较开辟了道路，并提供了两者并不完全相反的可能性。

“我们已经等了30年了。”德国马克斯·普朗克量子光学研究所的实验物理学家托马斯·乌德姆致力于氢原子的精确测量，他说:“我认为这是一项不可思议的成就。”没有参与最新研究的日本科学和化学研究所的实验者斯特凡·乌尔姆说，测量结果是“艺术品”。

任何反氢原子都包含一个与反质子“结合”的反电子。自2002年以来，一些团体一直在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室欧洲核子研究中心研究反氢原子。欧洲核子研究中心是世界上唯一的大规模反质子源。这样的工作并没有带来《星际迷航》中的扭曲驱动，但是它可以让物理学家确定氢原子和反氢原子是否具有相同的质量、自旋和其他基本属性。

否则，研究结果将摧毁物理学家的基本粒子和力标准模型。该理论具有数学对称性，要求粒子和反粒子是镜像。破坏这种对称性将推翻爱因斯坦狭义相对论的核心前提，尤其是人类相对于宇宙静止或运动的概念。因此，物质和反物质之间的任何区别都需要重新思考所有现代物理学。

物质和反物质对称性的一个关键测试是比较氢原子和反氢原子吸收的光的频率。根据量子力学，当原子中的电子从低能态跃迁到高能态时，原子只能吸收特定能量和颜色的光子。同时，根据标准模型，氢原子和反氢原子应该有完全相同的状态，吸收相同能量的光子。

今天，来自丹麦奥尔胡斯大学的实验物理学家杰弗里·杭斯特和欧洲粒子物理研究所的阿尔法小组的48名同事已经精确地测量了反氢原子1S的最低能态和高能态2S之间的能量差。这是迄今为止对普通氢原子能量转换最精确的测量。

如果实验者正在处理普通的氢原子，他们可以用激光使原子进入2S状态，然后用电场“刺激”它们，使它们发出荧光。调整激光频率以最大化荧光可以跟踪精确的能量转换。Udem说，以这种方式获得的结果比最新的反氢原子结果要精确1000倍。

然而，这种方法不适用于反氢原子，因为ALPHA研究人员每次测试通常捕获大约40个原子——太少而不能产生可检测的荧光。因此，他们依靠另一个计划。根据量子奇异性理论，要实现1S-2S跃迁，反氢原子(或氢原子)必须吸收两个光子，能量为1S-2S转换所需能量的一半。当被激发时，一个原子可以吸收第三个光子并完全剥离它的质子。反质子然后漂移出“陷阱”，进入周围的粒子探测器阵列。在那里，反质子被消灭，亚原子爆炸发生。通过计算逃逸的反质子，研究人员估计了它们激发的原子数量。

去年，ALPHA研究人员报道了在反氢原子中第一次观察到1S-2S转化。现在他们已经证实这与氢原子的观察结果相符。科学家在最近出版的《自然》杂志上报道，吸收线的精确形状与氢原子中看到的形状相匹配。“事实上，我们相当于将激光光谱学应用于反氢原子。”杭斯特说，“这一直是一个终生的目标。”

美国印第安纳大学的理论家艾伦·科斯特莱茨基说，这个实验似乎把违反相对论的可能性限制提高了10到100倍。"这无疑是一个惊人的结果。"然而，科斯特莱茨基说，在标准模型的范围内，相对论性的违反行为可以通过许多方式显示出来，其中一些被其他类型的测试严格限制。

Hangst说ALPHA团队可以更进一步，使1S-2S转换的测量结果达到目前氢原子实现的精度。"明年不会出现这种情况，但要到10年后才会出现。"汉斯特相信。至于反氢原子是否真的与氢原子不同，大多数物理学家可能认为这是一次不太成功的尝试。然而，这仍然值得一试。乌尔姆说:“唯一的方法是找到我们以前从未见过的新的物理现象。”最简单的比较是，杭斯特和他的同事想观察反氢原子是否在地球引力下“下落”了。Hangst说测试可能在今年进行。(慢慢编译)

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