選讀

盡管反物質(zhì)聽起來很奇特，但如果你遇到一塊反物質(zhì)，它對物質(zhì)來說也不會有什么不同。即使是物質(zhì)和反物質(zhì)的單個原子也無法區(qū)分。只有在原子內(nèi)部，它們的真正性質(zhì)才很明顯。

在物質(zhì)的原子內(nèi)部——構(gòu)成一切的物質(zhì)——是圍繞中心核旋轉(zhuǎn)的電子。氫原子是最簡單的元素，由一個電子和一個質(zhì)子構(gòu)成的原子核組成。電子帶負(fù)電荷，而質(zhì)子帶正電荷。相反的電荷相互吸引，使原子保持在一起。

反氫原子是一樣的，但是電荷是相反的。中心帶負(fù)電荷的“反質(zhì)子”抓住帶正電荷的“反電子”，也被稱為“正電子”。正極和負(fù)極的吸引力是一樣的，所以把原子變成分子的電磁力，也應(yīng)該適用于反原子。

當(dāng)一個粒子遇到它的反粒子孿生兄弟時，它們會在一瞬間相互湮滅。這種毀滅不只是科幻小說里的情節(jié)。有些放射性物質(zhì)會自然地釋放正電子。事實(shí)上，正電子湮滅已經(jīng)在醫(yī)學(xué)診斷中使用了幾十年，其形式是在醫(yī)院中發(fā)現(xiàn)的et正電子發(fā)射斷層掃描掃描儀。

但是，當(dāng)物理定律暗示大爆炸的能量應(yīng)該同樣凝結(jié)成物質(zhì)和反物質(zhì)時，為什么宇宙中有物質(zhì)，而不是什么都沒有呢？他們本應(yīng)該互相消滅的。

但是這個理論正確嗎？它在20世紀(jì)90年代通過在粒子加速器中湮滅電子和正電子進(jìn)行了測試。它們以接近光速的速度加速，迎頭相撞。由此產(chǎn)生的能量閃光，在一個比單個原子核還小的區(qū)域內(nèi)，類似于宇宙誕生后不久的情況。

通過記錄這些“小爆炸”的結(jié)果，實(shí)驗證實(shí)了能量可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饬Ｗ雍头戳Ｗ印Ｋ鼜?qiáng)化了物質(zhì)和反物質(zhì)在完美平衡中出現(xiàn)的觀點(diǎn)。那么缺失的反物質(zhì)在哪里呢？

解決這個謎題需要研究反物質(zhì)原子。如果正電子恰好被反質(zhì)子的電場捕獲，就會有一個反氫原子。它沒有凈電荷，但它會對磁場做出反應(yīng)。但是你如何保存一種物質(zhì)，它能破壞它接觸到的任何東西呢？

首先，你需要一個非常好的真空環(huán)境，這樣反物質(zhì)就不會無意中撞到空氣中的游離原子。然后你需要讓它遠(yuǎn)離你的容器，因為這些也是由物質(zhì)構(gòu)成的。解決方案是一個“磁瓶”，利用電場和磁場來囚禁反物質(zhì)。

然而，要研究反氫原子，你首先需要制造和儲存大量的原子。目前的挑戰(zhàn)是讓正電子和反質(zhì)子足夠靠近，使它們的電吸引力有機(jī)會捕獲它們，在它們被普通物質(zhì)湮滅之前形成一個反氫原子。

這已經(jīng)在歐洲核子研究中心cern完成了，通過在一臺名為ad反質(zhì)子減速器的機(jī)器中減慢反質(zhì)子的速度。然后電磁力和正電子把它們聚集在一起。自2009年以來，阿爾法已經(jīng)有幾百次將原子捕獲在磁瓶中。

2011年，歐洲核子研究中心cern的阿爾法實(shí)驗成功地制造出了反氫原子相當(dāng)于氫的反物質(zhì)，并將其儲存了近17分鐘。第二年，科學(xué)家們改變了反原子的磁場方向，用微波照射它們。這表明，更詳細(xì)地測量它們的性質(zhì)是可能的。

2014年1月，歐洲核子研究中心cern的科學(xué)家創(chuàng)造了一束反氫原子，并在光束中發(fā)現(xiàn)了80個反物質(zhì)原子。這離揭開反物質(zhì)之謎又近了一步，因為要收集足夠的數(shù)據(jù)來回答重大問題，需要大量的反氫原子。

科學(xué)家們將要研究的是原子光譜——一種類似條形碼的彩色線條圖案。反氫原子中正電子的行為被預(yù)測與氫原子中的電子完全相同，因此它們的原子“條形碼”應(yīng)該是相同的。

如果它們的原子“條形碼”有任何不同，我們就會發(fā)現(xiàn)物質(zhì)和反物質(zhì)之間的區(qū)別，盡管科學(xué)家們還得弄清楚這意味著什么。當(dāng)它們出現(xiàn)時，我們可能更接近于解開失蹤的反物質(zhì)之謎，以及為什么有東西而不是什么都沒有的問題。

到目前為止，歐洲核子研究中心的科學(xué)家已經(jīng)成功地儲存了幾百個反物質(zhì)原子。如果他