科學家精確比較原子和反原子

物理學家調整激光器開展反氫原子試驗。圖片來源：MAXIMILIEN BRICE/CERN

正如任何《星際迷航》粉絲所了解的，反物質被認為是物質的確切對立物，以至于如果兩者發生碰觸，將在放出一瞬間的純能量光后相互抵消。如今，經過幾十年的嘗試，物理學家精確比較了原子和反原子。兩者似乎在微小的不確定性范圍內表現出同樣的方式，同時研究結果以一種復雜的方式支持了阿爾伯特·愛因斯坦狹義相對論的基石。它還為物質—暗物質更加嚴格的比較開辟了道路，并且提供了兩者并非確切對立物的可能性。

“我們已經為此等待了30年。”致力于氫原子精確測量的德國馬普學會量子光學研究所實驗物理學家Thomas Udem表示，“我認為這是一項令人難以置信的成就。”并未參與最新研究的日本理化學研究所實驗人員Stefan Ulmer認為，測量結果“堪稱藝術品”。

任何反氫原子都含有一個同反質子“綁定”的反電子。自2002年起，一些小組便在位于瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理學實驗室CERN研究反氫原子。CERN是全球唯一的反質子大規模來源。此類工作并未帶來任何像《星際迷航》中的曲速引擎一樣的東西，但它或許使物理學家得以判定氫原子和反氫原子是否確切地擁有相同的質量、自旋和其他基本屬性。

如果沒有，研究結果將破壞物理學家的基本粒子和力標準模型。該理論擁有一種要求粒子和反粒子是鏡像對立的數學對稱性。毀掉這一對稱性將推翻愛因斯坦狹義相對論的核心前提，尤其是無法辨別人類同宇宙相比是靜止還是移動的概念。因此，物質和反物質之間的任何差別都需要對所有現代物理學進行再思考。

關于物質—反物質對稱性的一項關鍵測試是比較被氫原子和反氫原子吸收的光的頻率。根據量子力學，隨著原子內的電子從較低能量狀態跳至較高能量狀態，一個原子僅能吸收帶有特定能量和顏色的光子。同時，根據標準模型，氫原子和反氫原子應當擁有完全一樣的狀態并且吸收帶有同樣能量的光子。

如今，丹麥奧胡斯大學實驗物理學家Jeffrey Hangst和CERN 的ALPHA合作組48名同事精確測量了被稱為1S的反氫原子最低能量狀態和被稱為2S的較高能量狀態之間的能量差異。迄今為止，這是普通氫原子中能量轉換的最精切測量。

如果實驗人員處理的是普通氫原子，他們可以利用激光使原子進入2S狀態，然后用電場“咯吱”它們，使其發出熒光。調整激光頻率使熒光最大化，可追蹤確切的能量轉換。Udem介紹說，這種方式獲得的結果比最新的反氫原子結果精確1000倍左右。

不過，該方法并不適用于反氫原子，因為ALPHA研究人員通常在每次試驗時捕獲約40個原子——少到無法產生可被探測的熒光。因此，他們依靠的是另一種方案。根據量子怪異理論，要實現1S-2S的跳躍，反氫原子（或者氫原子）不得不吸收兩個帶有1S-2S轉換所需一半能量的光子。當被激發時，一個原子可吸收第三個光子，并將其質子完全剝離。隨后，反質子從“陷阱”中漂出，并且進入周圍的粒子探測器陣列。在那里，反質子被湮沒并且產生亞原子爆炸。通過計算逃逸的反質子，研究人員估測了他們激發的原子數量。

去年，ALPHA研究人員報告了反氫原子中1S-2S轉換的首次觀測結果。現在，他們證實，其同氫原子的觀測結果相匹配。科學家在日前出版的《自然》雜志上報告稱，吸收線的精確形狀同在氫原子中看到的相匹配。“實際上，我們相當于在反氫原子中施加了激光光譜學。”Hangst介紹說，“這一直是終身追求的目標。”

美國印第安納大學理論學家Alan Kostelecky表示，該試驗似乎將相對論可能的違逆限制收緊了10~100倍。“這無疑是驚人的結果。”不過，Kostelecky介紹說，在標準模型范圍內，相對論的違逆可通過很多方式自己顯示出來，并且有些已經被其他類型的試驗嚴格限制。

Hangst表示，ALPHA團隊可更進一步，使1S-2S轉換的測量結果達到目前在氫原子中實現的精確度。“這不會在明年到來，但也不會在10年后才到來。”Hangst認為。至于反氫原子是否將真的和氫原子不同，大多數物理學家可能將其視為不太成功的嘗試。不過，這仍值得一試。Ulmer說：“唯一的方法是尋找我們此前從未見過的新的物理學現象。”在最簡單的一項比較中，Hangst和同事希望觀察到反氫原子是否在地球引力下向上“墜落”。Hangst表示，該測試可能將在今年進行。