反物質，宇宙中神秘的鏡像物質，很難製造，也很難研究。一個(ge) 能讓它冷靜下來的激光可以改變這一切。

反物質，目前存在的難題究竟是什麽(me) ？

目前，關(guan) 於(yu) 反物質的問題是——其實根本就沒有（找到）太多的反物質。沒有人知道為(wei) 什麽(me) 。如果我們(men) 從(cong) 零開始製作這些“反物質”，就如同徒手爬上喜馬拉雅山一樣困難。此外，普通物質和帶相反電荷的反物質如果接觸就會(hui) 互相湮滅。因此其的製作和保存條件是非常挑剔的。所以，關(guan) 於(yu) 反物質的真實情況是——物理學家對它的了解也並不多。

不過，他們(men) 構思了一個(ge) 很好的理論。這一理論：本質上是一種描述亞(ya) 原子粒子行為(wei) 的“標準模型”。反物質普遍認為(wei) 是能做物質所能做的一切事情，隻是它穿著一雙向後走的“鞋子”，而且看起來是一樣的。（更正式的說法是 "CPT對稱"，就像電荷奇偶時間一樣，如果你把物質換成反物質，時間倒轉，新的宇宙就會(hui) 和當前的宇宙一樣。）這隻是一種假設性理論；它需要實驗與(yu) 測試去驗證，然而這幾乎很難觀測到。然而，現在他將會(hui) 變得容易得多。以瑞士粒子物理實驗室歐洲核子研究中心（CERN）為(wei) 中心的一大群科學家，是當今世界上製造反氫（氫的反物質）的頂尖科學家。就在上周，他們(men) 在《自然（Nature）》雜誌上發表了一項研究成果，結果表明，這些科學家可以將這些反物質冷凍到隻有幾分之一開爾文度的低溫（約為(wei) -273℃，接近絕對零度）。冷原子（和反原子）的速度很慢，這使得它們(men) 更容易研究。

那麽(me) ，科學家們(men) 是如何將反物質“冷靜下來”的呢？

讓原子冷卻的一個(ge) 眾(zhong) 所周知的方法是——用激光使原子減速。這比我們(men) 想象得更有意義(yi) 。當一個(ge) 物體(ti) 運動時，其既具有動能，同樣也具有熱能。激光是由光構成的，光是由稱為(wei) 光子的亞(ya) 原子粒子構成的。光子，是電磁能量中最微小的一部分，有動量但沒有質量。當一個(ge) 光子具有適當的能量或波長，這取決(jue) 於(yu) 我們(men) 想如何看待它擊中一個(ge) 原子，這個(ge) 原子吸收光子，獲得一些能量，然後再發射它。在這個(ge) 過程中，原子會(hui) 產(chan) 生反衝(chong) 力，反彈一點。

現在，這些原子在四處移動，就像在一團氣體(ti) 中一樣。這就意味著，由於(yu) 多普勒效應的存在，對於(yu) 向激光方向移動的光和離開激光方向的光，實際的波長會(hui) 有所不同。對觀測者來說，當光源的波長向外延伸時，遠離它們(men) 的光源會(hui) 看起來更紅。那意味著你可以偷偷摸摸。把激光調到隻向後推以一定速度運動的原子——一個(ge) 高速度的原子，然後再這樣重複很多遍，就可以讓一切都慢下來。最終，我們(men) 可以讓這些反物質“冷靜下來”。

這一切都與(yu) 歐洲核子研究小組製造的反氫有關(guan) 。但是反氫有一堆麻煩。“如果我去買(mai) 一些銫原子，其實我完全可以買(mai) 一台現成的激光器來為(wei) 我做到這一點。”傑弗裏·漢斯特（Jeffrey Hangst）說，他是一位物理學家，也是歐洲核子研究中心反氫激光物理儀(yi) 器項目“阿爾法”的發言人。“但是，由於(yu) 氫很輕，我需要的那個(ge) 光子是在真空紫外線中。而那種光不能通過空氣傳(chuan) 播。它完全被吸收了。“在這裏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(dong) 西——紫外線。

從(cong) 物理學的角度來看，這是極為(wei) 糟糕的。但研究人員已經別無他選了。“我們(men) 不能製造出反物質銣或銫。”加拿大粒子加速器中心Triumf的研究科學家、Alpha-Canada小組負責人藤原·真一（Makoto Fujiwara）認為(wei) ：“但是，如果你想要驅動氫，就必須有一個(ge) 波長很短、能量很高的激光器。”這台Chillaxatron 5000必須發出121納米、紫外線很強的光，並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(wei) 艱難的事情。“氫很難用激光冷卻，主要問題就在於(yu) 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係列不同的工作。“你必須真正精確地控製頻率，這樣我們(men) 才能進行多普勒頻移。”不列顛哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的化學家、激光製造者之一高政·百歲（Takamasa Momose）說。此外，激光器必須在脈衝(chong) 中輸出足夠的能量，這樣冷卻就不會(hui) 耗費很長時間。

但這並非不可能。所有這些都是團隊一手建立的。當他們(men) 把它射向反氫時，它就像氫一樣冷卻了，這一現象已經是個(ge) 好兆頭了。

需要說明的是，這並不是說你可以把溫度計插入磁阱。你用不同的方法測量這種能量。去年，同一個(ge) 團隊對他們(men) 的反氫進行了光譜分析，通過觀察反氫發射的光譜來分析反氫。移動較慢的原子會(hui) 發出較窄的光譜，當研究人員觀察它們(men) 的激光後原子時，這些冷原子所得到的結果也正是如此。他們(men) 還測試了他們(men) 的新研究成果，通過檢查冷卻後的原子從(cong) 群中彈回並撞擊容器後壁所需的時間（即湮滅）。這就是所謂的“飛行時間”，冷卻的原子需要更長的時間。他們(men) 做到了這一點。

就像你不能精確測量它們(men) 的溫度一樣，你也不能用雷達槍對準反氫原子。藤原（Makoto）認為(wei) ，反氫通常以每秒100米左右的速度飛行，而超冷原子的移動速度僅(jin) 為(wei) 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過的時候抓住它。”（它會(hui) 消滅一個(ge) 原子，但整體(ti) 仍然是十分堅固的。）

在這一點上，我們(men) 有理由問這一切是否值得。誰需要非常慢，非常冷的反物質？答案是——物理學家。加州大學聖地亞(ya) 哥分校的物理學家克利福德·蘇爾科（Clifford Surko）表示：“除非事情真的很糟糕，否則這項技術將非常重要，甚至可能是至關(guan) 重要。作為(wei) 一個(ge) 實驗者，我認為(wei) ，現在你有了一整套的技巧，反氫原子的另一個(ge) 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是否真的與(yu) 物質的物理學相呼應。以引力為(wei) 例：廣義(yi) 相對論中的等價(jia) 原理說，引力相互作用應該獨立於(yu) 物質是否為(wei) 反物質。但沒人確切知道。“我們(men) 想知道，如果你有一些反氫，你把它丟(diu) 掉會(hui) 發生什麽(me) 。”漢斯特（Jeffrey Hangst）說。

當然，不會(hui) 真讓你來做。因為(wei) 這個(ge) 實驗很難做，其中重力實際上是個(ge) “累贅”。那些熱氣體(ti) 的東(dong) 西不會(hui) 掉下來，隻是彈來彈去。反物質會(hui) 撞到機器的牆壁上，然後湮滅。“地心引力太弱了，你可能什麽(me) 都看不見。”

不過，把反氫的速度減慢到接近絕對零度，它開始更像液體(ti) 而不是氣體(ti) 。它開始更像液體(ti) ，而不會(hui) 像氣體(ti) 一樣噴得到處都是。“我們(men) 想知道的第一件事是，反氫會(hui) 下降嗎？因為(wei) 有一個(ge) 瘋狂的邊緣理論認為(wei) 它上升了——理論學家認為(wei) 物質和反物質之間有排斥引力。不過這一件事情也太魔幻了。”漢斯特（Jeffrey Hangst）說。

物理學家實際上並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(wei) 荒誕性的。“但是如果我們(men) 現在假設，像大多數理論家那樣，反氫會(hui) 墜落，那麽(me) 你想問，它真的會(hui) 以同樣的方式墜落嗎？”漢斯特（Jeffrey Hangst）問道。精確測量重力引起的加速度在這裏是一個(ge) 短期的遊戲，而激光冷卻很可能使之成為(wei) 可能。

另外，更多的光譜學也在進行研究中。對於(yu) 快速移動的原子來說，這很難做到，但如果把它們(men) 慢下來，阿爾法團隊就能比較反氫和氫的光譜。它們(men) 的小數位數應該是相同的。但如果不是呢？這是違反新物理學的標準模型。

該研究小組還希望研究更細微的物質，比如氫的兩(liang) 個(ge) 特定能級之間的差異值。這個(ge) 難以測量的數字——蘭(lan) 姆位移，對於(yu) 反氫和氫來說應該是一樣的。同樣，沒人知道是否正確。這些答案中的任何一個(ge) 都可能回到本文剛開始所提到的一個(ge) 更大的問題：現在，為(wei) 什麽(me) 宇宙幾乎完全是物質而不是反物質？也沒有人知道這一點，但更仔細地研究反物質可能有助於(yu) 解釋它。而最終，研究人員也許能夠將反氫原子結合成更穩定的反氫分子，一種氫反分子。在那之後，我們(men) 希望有一天，也許會(hui) 出現氫反離子，或者（如果有人發明了一種製造其他反物質元素的方法）更大、光譜上更為(wei) 有趣的反分子。

這種真正檢驗某些理論的機會(hui) 在實驗物理學中並不經常發生。但是，這是最好的開始動機。歐洲核子研究中心的粒子加速器在2018年因一個(ge) 大型翻新項目而下線。新冠疫情又導致了該項目重啟的推遲。但是，今年這一反物質的研究又被“激光”所點亮了。“沒有什麽(me) 我們(men) 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(men) 什麽(me) 時候才能證明你能用氫作什麽(me) ？“漢斯特（Jeffrey Hangst）認為(wei) ，“我想專(zhuan) 家們(men) 現在會(hui) 同意我們(men) 的設想的。我們(men) 有數據，可以得到所需要的溫度。我們(men) 有重現性來研究係統效應。" 他預計重力實驗將在8月開始。讓對其的後續進展我們(men) 拭目以待吧。

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