神秘的“反氢”粒子揭示神秘的量子效应

简介：氢与反氢就像物质与反物质一样，而加拿大粒子物理学家藤原真子通过兰姆移动，踏出了研究其差异的第一步。

量子物理使反物质氢受到了压力。

一张显示反氢激光物理仪器（ALPHA）反物质实验激光器的内部照片。（图源：欧洲核子中心/阿尔法实验）

冒着泡的、嘈杂的真空填满了量子空间，扭曲了宇宙中每个氢原子的形状。现在我们知道，它也同样扭曲了反物质世界里氢的孪生兄弟：反物质氢。

反物质是一种在我们的宇宙中稀有的、鲜为人知的物质，它几乎可以完美地模拟所有物质，但它所有的属性都会在周围旋转。例如，电子是带有负电荷的微小粒子，它们的反物质孪晶是携带正电荷的微小的“正电子”。将电子和质子（一个较大的带正电荷的物质粒子），必会得到一个简单的氢原子。将反物质正电子与“反质子”结合，会得到反氢原子。当常规物质与反物质接触时，物质与反物质粒子相互湮灭。

电子结构（图源：Baidu）

目前，反物质似乎是完美的、对立的物质的孪生，物理学中的一大谜团就是为什么物质可以主导宇宙而反物质只能成为宇宙中的一分子。找出这两者之间的差异能够帮助解释现代宇宙的结构。

“兰姆移动是寻找这种差异的好去处”，加拿大核子研究所的量子物理学家藤原真子与该研究所的联合作者在2月19日将这个想法发表在《自然》杂志上。量子物理学家从1947年起就知道了这个以亚利桑那大学的物理学家威廉·兰姆命名的奇怪的量子效应。在第一次重大的战后美国物理学家会议上，兰姆揭示了氢原子内部存在看不见的东西推动了它们的内部粒子，使得质子和轨道电子间的空隙比现有的核理论中更大。

（图源：Baidu）

“简单来说，兰姆移动是‘真空'效应的物理表现，”藤原真子告诉《生活科学》杂志，“通常当你想到真空时，你会觉得‘什么都没有'。”然而，根据量子物理学的理论，真空中充满了所谓“虚拟粒子”，它们在不断地诞生和毁灭。

那些短暂的、半真实的粒子所冒出的神秘的泡泡对宇宙产生了真正的影响。在氢原子的内部产生了一种压力，能够使两个相连的粒子分开。这个意外的发现使兰姆获得了1955年的诺贝尔物理学奖。

然而，尽管物理学家几十年来都知道兰姆移动改变了氢，但他们并不知道它是否也影响了反物质氢。

藤原真子告诉《生活科学》：“我们研究的最终目标是要看氢和 反氢之间是否存在差异，我们也并不能提前知道这种差异会出现在什么地方。”

（图源：Baidu）

为了研究这个问题，研究人员煞费苦心地在欧洲巨大的核物理实验室——欧洲核子研究组织（CERN）上用反氢激光物理装置（ALPHA）反物质实验收集了反氢样品。藤原真子说，阿尔法实验将会用到几个小时来产生一个工作所需要的足够大的反氢样本。

欧洲核子研究中心（图源：Wikipedia）

它将物质悬浮在排斥物质的磁场中。然后阿尔法实验的研究人员用激光集中被捕获的反氢原子，来研究反物质是如何与光子相互作用的，这可以解释微小的反物质原子的隐藏性质。

在不同的条件下以不同的反氢样品重复上述实验12次以后，阿尔法 实验的研究人员发现在氢和反氢中他们的仪器所能检测到的兰姆移动没有差别。

“目前，反物质氢与普通氢的基本性质之间没有已知的区别，”藤原说，“如果我们找到了任何差别，即使是最微小的差别，它都将使我们理解我们的物理宇宙的方式发生根本的改变。”

尽管目前研究人员还没有发现任何差别，反氢物理学仍然是一个年轻的领域。物理学家直到2002年才获得了易被研究的样本，而阿尔法实验直到2011年才开始能够常规地捕获氢的样本。

“这个发现只是‘第一步'，”藤原说道，“在物理学家真正地搞清楚氢和反氢的对比以前还有很多有待研究的地方。”

作者: Rafi Letzter - Staff Writer

文章来源：《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0622/1059.html

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