神秘的“反氫”粒子揭示神秘的量子效應
簡介：氫與反氫就像物質與反物質一樣，而加拿大粒子物理學家藤原真子透過蘭姆移動，踏出了研究其差異的第一步。
量子物理使反物質氫受到了壓力。
一張顯示反氫鐳射物理儀器（ALPHA）反物質實驗鐳射器的內部照片。（圖源：歐洲核子中心/阿爾法實驗）
冒著泡的、嘈雜的真空填滿了量子空間，扭曲了宇宙中每個氫原子的形狀。現在我們知道，它也同樣扭曲了反物質世界裡氫的孿生兄弟：反物質氫。
反物質是一種在我們的宇宙中稀有的、鮮為人知的物質，它幾乎可以完美地模擬所有物質，但它所有的屬性都會在周圍旋轉。例如，電子是帶有負電荷的微小粒子，它們的反物質孿晶是攜帶正電荷的微小的“正電子”。將電子和質子（一個較大的帶正電荷的物質粒子），必會得到一個簡單的氫原子。將反物質正電子與“反質子”結合，會得到反氫原子。當常規物質與反物質接觸時，物質與反物質粒子相互湮滅。
電子結構（圖源：Baidu）
目前，反物質似乎是完美的、對立的物質的孿生，物理學中的一大謎團就是為什麼物質可以主導宇宙而反物質只能成為宇宙中的一分子。找出這兩者之間的差異能夠幫助解釋現代宇宙的結構。
“蘭姆移動是尋找這種差異的好去處”，加拿大核子研究所的量子物理學家藤原真子與該研究所的聯合作者在2月19日將這個想法發表在《自然》雜誌上。量子物理學家從1947年起就知道了這個以亞利桑那大學的物理學家威廉·蘭姆命名的奇怪的量子效應。在第一次重大的戰後美國物理學家會議上，蘭姆揭示了氫原子內部存在看不見的東西推動了它們的內部粒子，使得質子和軌道電子間的空隙比現有的核理論中更大。
（圖源：Baidu）
“簡單來說，蘭姆移動是‘真空’效應的物理表現，”藤原真子告訴《生活科學》雜誌，“通常當你想到真空時，你會覺得‘什麼都沒有’。”然而，根據量子物理學的理論，真空中充滿了所謂“虛擬粒子”，它們在不斷地誕生和毀滅。
那些短暫的、半真實的粒子所冒出的神秘的泡泡對宇宙產生了真正的影響。在氫原子的內部產生了一種壓力，能夠使兩個相連的粒子分開。這個意外的發現使蘭姆獲得了1955年的諾貝爾物理學獎。
然而，儘管物理學家幾十年來都知道蘭姆移動改變了氫，但他們並不知道它是否也影響了反物質氫。
藤原真子告訴《生活科學》：“我們研究的最終目標是要看氫和 反氫之間是否存在差異，我們也並不能提前知道這種差異會出現在什麼地方。”
（圖源：Baidu）
為了研究這個問題，研究人員煞費苦心地在歐洲巨大的核物理實驗室——歐洲核子研究組織（CERN）上用反氫鐳射物理裝置（ALPHA）反物質實驗收集了反氫樣品。藤原真子說，阿爾法實驗將會用到幾個小時來產生一個工作所需要的足夠大的反氫樣本。
歐洲核子研究中心（圖源：Wikipedia）
它將物質懸浮在排斥物質的磁場中。然後阿爾法實驗的研究人員用鐳射集中被捕獲的反氫原子，來研究反物質是如何與光子相互作用的，這可以解釋微小的反物質原子的隱藏性質。
在不同的條件下以不同的反氫樣品重複上述實驗12次以後，阿爾法 實驗的研究人員發現在氫和反氫中他們的儀器所能檢測到的蘭姆移動沒有差別。
“目前，反物質氫與普通氫的基本性質之間沒有已知的區別，”藤原說，“如果我們找到了任何差別，即使是最微小的差別，它都將使我們理解我們的物理宇宙的方式發生根本的改變。”
儘管目前研究人員還沒有發現任何差別，反氫物理學仍然是一個年輕的領域。物理學家直到2002年才獲得了易被研究的樣本，而阿爾法實驗直到2011年才開始能夠常規地捕獲氫的樣本。
“這個發現只是‘第一步’，”藤原說道，“在物理學家真正地搞清楚氫和反氫的對比以前還有很多有待研究的地方。”
作者： Rafi Letzter - Staff Writer
FY： 阿黃
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