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物理学家第一次观察到反物质光谱

2016年12月27日 3:45  PDF版 分享到微信

的狭义放进测试中。

经过二十年的尝试,欧洲核子研究组织(CERN)的报告有史以来第一次测量原子发射出来的光,揭露反氢原子是正常氢原子精确的镜像(mirror image)。

结果,最终证实了物理定律长期的预言,开启了一项测试爱因斯坦特殊相对论的新方法,而且可以协助我们回答现代物理学中最大的谜团之一:为什么会的物质(matter)比反物质(antimatter)多出很多?

没有参与这项研究、来自印第安纳大学(Indiana University)的理论物理学家艾伦·寇斯托利基(Alan Kostelecky)告诉美国国家公共广播电台(NPR):“这代表一个历史时刻,几十年来努力创造反物质,并且将它的特性与物质相比较。”

如果你不熟悉物理学整个"所有反物质在哪里?"的问题,这里有一些背景资讯。

物理定律预测,对于正常物质的每一个粒子,会有一个反粒子。所以对于每一个带负电的电子,会有一个带正电的正子。

这意味着对于每一个氢原子,会有一个反氢原子;而且就如同氢原子是由一个电子结合到一个质子所组成,反氢原子是由一个反电子(或正子)结合到一个反质子所组成。

如果一个反粒子碰巧碰上一个粒子,它们会相互抵消,并且以光的形式释放出能量。

这个事实产生了两个相当大的问题。第一个问题是因为宇宙有太多的物质,所以物理学家实际上不可能在大自然界中找到反物质;因为甚至在有机会开始寻找之前,它们就被消灭了。

第二个问题是为什么物质比反物质多很多。如果目前的物理模型认为等量的粒子和反粒子是由大爆炸所产生的,那么宇宙中的一切事物不都应该自我相互抵消吗?

研究小组成员之一、来自瑞士欧洲核子研究组织阿尔发实验(ALPHA experiment)的杰弗利·韩斯特(Jeffrey Hangst)说:“出了一些状况,一些小的不对称致使一些物质存留下来,而我们现在的确没有一个好的想法来解释。”

然而这一切将可能有所改变,因为有史以来第一次,科学家能够测量到一个由反氢原子发出的光,当它被雷射击中时,并且与正常氢原子发出的光做比较。

这或许听起来不怎么样,但这是第一次我们能够有足够长的时间控制一个反氢原子,来直接测量它的行为,并且把它和正常的氢原子做比较。

韩斯特在一份新闻稿声明中说:“利用雷射来反氢原子转变,并且与氢做比较,来看它们是否遵守相同的物理定律,这一直是反物质研究的一个主要目标。”

因为不可能在大自然找到反氢原子,这是由于把氢原子看作是宇宙最丰富的元素,所以很容易抵消任何潜藏的反氢原子,因此科学家需要制造出自己的反氢原子。

在过去的20年,阿尔发团队一直在研究如何制造出足够的反氢原子,来实际获得对它们起作用的机会,并且终于找到了一种技术,让他们能够每15分钟制造出大约25,000个反氢原子,并且困住大约14个。

先前的方法只曾经在每15分钟困住1.2个反氢原子。

然后这些被困住的粒子受到雷射的照射,以迫使正子从较低的能阶’跳’到较高的能阶。当正子回到较低的能阶时,可以测量到所释放的光量。

这个团队发现,经由相同的测试,反氢原子放射出与正常氢原子完全相同的光谱。

来自阿尔发团队的提姆·萨普(Tim Tharp)告诉Gizmodo科技网站的莱恩·曼德尔鲍姆(Ryan F. Mandelbaum):“长久以来,反物质就被认为是与物质完全相反,而我们正在收集证据,来证明确实是如此。”

这个结果与粒子物理学的标准模型一致,预测氢原子与反氢原子具有相同的发光特性。但是现在物理学家有机会藉由使用不同类型的雷射,来测试更多的光谱放射。

如果它们最后都完全相同,爱因斯坦的狭义相对论就可以存在。如同Adrian Cho对自然(Nature)期刊解释:

“精确地解释为什么狭义相对论需要反物质来反射(镜射,mirror)物质,会涉及很多数学。但简而言之,如果这个反射关系不是精确的,那么狭义相对论背后的基本想法可能不是完全正确。

狭义相对论假设一个被称为时空(spacetime)的单一一元化东西,以不同方式分裂成空间和时间,使得观察者彼此相对运动。它假设没有一位观察者能说谁是真正在移动、或是谁是固定不动的。但是,如果物质和反物质不能互相反射,那就不是完全正确的。

但如果物质和反物质不互相反射,如果反物质不遵守与一般物质相同的物理定律,大爆炸模型就会有缺陷。

而这给我们有机会来重新思考每一件事物,彻底地解决为什么物质躲掉在宇宙中的全面消灭,并且允许我们和一切事物存在。

我们很显然是操之过急,但这些是这个实验开启的可能性,这是非常令人兴奋的东西。

韩斯特告诉国家公共广播电台:“我们真的非常高兴,终于能够说我们做到了这一点。对我们来说,这真的很重要。”

这项研究发表于自然(Nature)期刊。

来源: ScienceAlert

来源:赞新闻编译 转载请注明作者、出处並保持完整。

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