一個(ge) 帶正電的質子，加一個(ge) 帶負電的電子，氫原子是世界上最簡單的原子。現代物理學上許多最精妙的理論，卻借這種原子顯現，堪稱大道至簡。

1947年，在紐約州長島東(dong) 段的謝爾特小島上，一場曆史性的學術會(hui) 議召開，主題是量子力學與(yu) 電子問題。美國物理學家威利斯·尤金·蘭(lan) 姆(Willis Eugene Lamb)報告了他在氫原子光譜精細結構中的一個(ge) 發現。

原來，根據狄拉克方程計算，氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)能級相同，可以簡並。然而，蘭(lan) 姆和同事用新興(xing) 的微波技術探測後發現，這兩(liang) 個(ge) 能級其實並不吻合，而是存在一個(ge) 小小小小的能級差。

就是從(cong) 這個(ge) 小小小小的豁口裏，人類迄今為(wei) 止最精確的理論——量子電動力學破殼而出。這個(ge) 能級差後來被命名為(wei) “蘭(lan) 姆位移”，蘭(lan) 姆本人也憑此獲得了1955年的諾貝爾獎。

蘭(lan) 姆在黑板上書(shu) 寫(xie) 氫的狄拉克方程與(yu) 蘭(lan) 姆位移

2020年2月20日淩晨，發表在頂級學術期刊、英國《自然》雜誌上的一篇論文顯示，歐洲核子中心(CERN)的研究團隊在氫原子的反物質——反氫原子上同樣觀測到了蘭(lan) 姆位移。

雖然這次測量出的數值與(yu) 理論的吻合程度隻有11%，但也足以彰顯出自然的根本對稱性。另一方麵，它也加深了人類的疑惑：既然物質與(yu) 反物質性質如此對稱，為(wei) 何宇宙卻由正物質主導？

對稱與(yu) 不對稱

有意思的是，從(cong) 狄拉克方程到量子電動力學的演化，本身就與(yu) 反物質息息相關(guan) 。

狄拉克方程是量子力學與(yu) 狹義(yi) 相對論的首次融合，用量子化的觀念來描述原子的不同能級，由此，人們(men) 可以計算出氫原子的精細能譜。

狄拉克方程也首次預言了正電子的存在，它與(yu) 電子的電量相當而電荷相反。所有的負能級被無數正負電子對填滿，我們(men) 的世界漂浮其上，這就是狄拉克之海的概念。

狄拉克方程刻在他位於(yu) 西敏寺的墓碑上

不過，正如蘭(lan) 姆位移所昭示的，狄拉克的理論存在缺陷。他把正電子視作狄拉克之海中的空洞，而非真實存在的粒子。

隻有量子場論把真空的概念也量子化之後，反物質的概念才得以進一步完善。在微觀世界裏，無數對正反粒子憑空誕生，又瞬間相遇湮滅，形成不斷的量子漲落。

不過，宇宙中可能有某種我們(men) 未知的擾動，導致正反物質並未對稱地產(chan) 生、湮滅，而是留下了更多的正物質，構成了我們(men) 所知的世界。

量產(chan) 研究反物質

不出意外，做出此次反氫原子蘭(lan) 姆位移實驗的是世界高能物理重鎮歐洲核子中心。畢竟，要研究反物質，首先就得有“量產(chan) ”反物質的能力。

從(cong) 反電子的概念類推，反氫原子由一個(ge) 帶負電荷的反質子和一個(ge) 帶正電荷的正電子組成。

電子與(yu) 正電子

一個(ge) 名為(wei) 反質子減速器將在真空管中製造出的“狂奔”粒子降到光速的十分之一以下，送到ALPHA實驗組中。正電子則由一個(ge) 鈉放射源提供。

據《自然》上隨論文附的“新聞與(yu) 觀點”文章，每隔幾分鍾，就有9萬(wan) 個(ge) 反質子和300萬(wan) 個(ge) 正電子在複雜的帶電粒子陷阱中混合，產(chan) 生約20個(ge) 冷卻的反氫原子。在超導磁鐵製成的中性粒子陷阱中。它們(men) 可以保存至少60小時。

如前所述，人類對氫原子微觀結構的探測走向精細化的曆程，推動了原子理論的進化。1880年代，人類首次高精度地測量出氫原子的光學譜。蘭(lan) 姆位移則是用射頻波譜完成的。如今，能量更高的激光光譜成為(wei) 了主流的探測工具。

ALPHA實驗團隊將激光脈衝(chong) 注入困住反氫原子的陷阱，導致反氫原子從(cong) 基礎的1S狀態激發到2P1/2或2P3/2能級，然後衰減回1S狀態。

歐洲核子中心用陷阱困住反氫原子

這些反氫原子隨後與(yu) 壁上的正常原子接觸湮滅，產(chan) 生帶電的π介子。它們(men) 的數量能夠描述出激光頻率函數。

最後，研究人員利用這些函數的峰值位置推算出了1S和2P(1/2)、1S和2P(3/2)之間的能級差。結果與(yu) 普通氫原子的蘭(lan) 姆位移較好地吻合。

看起來，正反物質又增加了一處對稱。

那麽(me) ，世界上的物質為(wei) 何遠遠多於(yu) 反物質？這種巨大的不對稱性從(cong) 何而來？這個(ge) 研究並沒有解答這個(ge) 終極謎題，反而加深了懸念。不過，它起碼為(wei) 後繼的解題者提供了限製條件，排除了一些錯誤方向。