反物质变得不再那么神秘

反物质是普通物质的孪生兄弟，性质相反，是一种非常棘手的物质。直到过去 20 年，科学家才能够制造出最简单的反物质原子并保持其稳定。现在，他们首次测量了反氢原子的内部结构。

氢是元素周期表中的第一个元素，由一个电子围绕一个质子旋转组成。它的镜像反氢有一个反电子或正电子和一个反质子。如果正电子和电子相撞，它们会相互湮灭并释放能量。质子-反质子相互作用也是如此。因为我们的宇宙充满了电子、质子以及两者的各种组合，所以让任何一个反粒子存在很长时间都是极其困难的。

这正是物理学家在欧洲核子研究中心的反氢激光物理仪器 (ALPHA) 上应对的挑战。他们在磁瓶中制造真空，然后将正电子和反质子扔进去。理想情况下，两者会结合成反氢，瓶子会保持反物质的稳定，然后科学家就可以研究它了——当然是用激光。

几年前，科学家们捕获反氢原子长达一刻钟，比以往任何尝试都要长。在他们最新的里程碑中，ALPHA 研究人员成功完成了任务的下一个阶段：他们使用激光研究了反氢原子的结构。研究结果于周一发表在《自然》杂志上。

“这曾经是科幻小说——你可以拿着一些反物质，并像这样研究它，”物理学家杰弗里·汉斯特 (Jeffrey Hangst) 说道，他是 ALPHA 的发言人。“不久前人们还认为这是不可能的。因此，我们这样做对我们来说是一种革命。”

汉斯特和他的同事首次对反氢原子进行了光谱测量。光谱学是一种揭示原子内部结构的方法。尽管我们倾向于将电子绕原子核旋转的方式想象成行星绕恒星旋转，但它实际上可以在几个能级之一上“旋转”。当你用光照射原子时，它的电子会利用该能量跃升到更高的能级。然后它又跳回来，在这个过程中将能量以光的形式释放出来。

由于原子中的能级间隔一定距离，电子每次跳跃都会吸收并释放特定数量的光能。而这个数量反映在光的颜色上。例如，如果你想将氢原子的单个电子从基态（最低能级）激发到刚好高于基态的能级，你就必须用特定波长的紫外线激光束照射原子。

为了对反氢原子进行同样的测试，ALPHA 的研究人员首先必须制造并保存它，这本身就是一项技术壮举。然后他们必须用激光照射它。在大多数此类光谱实验中，他们会将光照射到大约一万亿个物质原子上。在这种情况下，他们只研究了 15 个反物质原子。

“当你只有几个原子时，你必须更加聪明，而且难度也更大，”Hangst 说。这也意味着测量结果的确定性会降低。“所以这只是第一步，”他补充道，“我们将在接下来的很多年里不断改进。”

未来的研究将以这一突破为基础，精确测量反氢的能级。通过将其与氢的能级进行比较，研究人员可以更好地了解物质和反物质的确切区别。这可能就是宇宙中最大的谜团之一：我们为什么在这里？

理论上，大爆炸应该产生等量的物质和反物质。由于这两种物质接触时会相互湮灭，它们会释放出巨大的能量，然后消失，留下一个空荡荡的宇宙。

“反物质是第一个问题，”汉斯特说。“尽管我们取得了很多成功，但我们无法解释宇宙为何能幸存下来。”

现在科学家已经掌握了捕获和研究反物质的技术，他们可以开始在多个方面将其与物质进行比较。除了能量水平之外，ALPHA 团队还计划进行一项实验，以了解反氢如何响应重力。

“我们在正确的时间出现在了正确的地点；我们已经学会了如何做到这一点，”汉斯特说。“这开启了许多新的可能性。”