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      新實(shí)驗(yàn)證實(shí),反物質(zhì)沒什么問題

      2024-01-08 02:54:02編譯劉牛
      世界科學(xué) 2023年12期
      關(guān)鍵詞:正電子反物質(zhì)氫原子

      編譯 劉牛

      工作人員正在安裝一個包含反氫的磁場裝置,它是CERN反氫激光物理儀器的一部分

      反物質(zhì)剛剛失去了一點(diǎn)魅力

      物理學(xué)家知道,對于自然界中的每一種基本粒子,都存在一種反粒子——一個具有相同質(zhì)量和自旋,但帶有相等且相反電荷的“邪惡孿生體”。當(dāng)這些孿生粒子對相遇時,它們會相互湮滅,在接觸時釋放一道能量閃光。

      在科幻小說中,反粒子能為曲速引擎提供動力。一些物理學(xué)家已經(jīng)在推測,反粒子正在被引力排斥,甚至在時間中穿越旅行。

      歐洲核子研究中心(CERN)的一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)將一部分猜想帶回到現(xiàn)實(shí)。實(shí)驗(yàn)表明,在引力場中,反粒子就像我們其他人一樣會下落。“最重要的是,沒有免費(fèi)的午餐,我們無法利用反物質(zhì)飄浮起來?!奔又荽髮W(xué)伯克利分校的喬爾 · 法揚(yáng)斯(Joel Fajans)說道。

      法揚(yáng)斯博士是國際反氫激光物理儀器(ALPHA)合作組織的成員。這一組織設(shè)在CERN,由丹麥奧胡斯大學(xué)的粒子物理學(xué)家杰弗里 · 杭斯特(Jeffrey Hangst)主持。

      法揚(yáng)斯博士和他的同事們收集了約100個反氫原子,并將它們懸浮在磁場中。當(dāng)磁場強(qiáng)度緩慢減弱時,反氫原子就像十月的楓葉一樣飄落,并且下落的加速度,或者說重力加速度,和普通原子相同,約為9.8 m/s2。他們周三在《自然》雜志上發(fā)表了結(jié)果。

      幾乎沒有物理學(xué)家對這一結(jié)果感到驚訝。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論,物質(zhì)和能量的所有形式對引力的響應(yīng)都是相同的。“如果你走在物理系的走廊上,詢問物理學(xué)家,他們可能所有人都會說這一結(jié)果一點(diǎn)也不令人意外。” 加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家喬納森 · 沃特爾(Jonathan Wurtele)在大學(xué)發(fā)布的一份聲明中說道。正是他在十年前首次向法揚(yáng)斯博士建議了這個實(shí)驗(yàn)?!斑@就是現(xiàn)實(shí)?!蔽痔貭柌┦空f。

      他補(bǔ)充道:“但他們大多數(shù)人也會說,這個實(shí)驗(yàn)必須要進(jìn)行,因?yàn)槟阌肋h(yuǎn)無法確定結(jié)果到底是什么,相反的結(jié)果將有重大的影響?!?/p>

      鏡像世界

      1928年,在自然界遵循數(shù)學(xué)的最令人驚訝的例子之一中,物理學(xué)家保羅 · 狄拉克(Paul Dirac)發(fā)現(xiàn),描述電子的量子力學(xué)方程有兩個解。在一個解中,電子(這種粒子是化學(xué)和電學(xué)的主要工具)帶負(fù)電荷。在另一個解中,粒子則帶正電荷。

      那種粒子是什么?狄拉克認(rèn)為它是質(zhì)子,但后來因原子彈而聞名的羅伯特 · 奧本海默(Robert Oppenheimer)提出,它是一種全新的粒子:正電子。正電子質(zhì)量和自旋與電子相同但帶有正電荷。兩年后,加州理工學(xué)院的卡爾 · 安德森(Carl Anderson)在宇宙線簇射中探測到了正電子,這一發(fā)現(xiàn)為他贏得了諾貝爾物理學(xué)獎。

      反物質(zhì)的魅力由此而生。在原子核中占主導(dǎo)地位的帶正電質(zhì)子,與帶負(fù)電的反質(zhì)子相對應(yīng)。反電子被稱為正電子。同樣位于原子核中的中子有反中子。組成質(zhì)子的夸克也有反夸克,諸如此類。

      理論上,可能存在由反生物居住的整個反世界。有這樣一個笑話,如果你遇上了你的反自己,那個人會伸出左手來握手,但你最好不要接受,否則你們倆都會爆炸。

      對于科學(xué)家而言,反物質(zhì)的激動人心之處不僅僅在于補(bǔ)充命名怪異的粒子名單。對他們來說,研究反氫原子是檢驗(yàn)一些關(guān)于自然界最深層假設(shè)的第一步。這些假設(shè)認(rèn)為,反物質(zhì)在外觀和行為上應(yīng)當(dāng)與普通物質(zhì)完全相同。

      在過去的20年里,來自ALPHA小組的科學(xué)家一直在CERN收集反物質(zhì)。他們從CERN質(zhì)子同步加速器的碰撞中抽取高能反質(zhì)子,并將它們從光速減速到每秒數(shù)百米的速度,溫度降到約絕對零度以上15度。之后,將反質(zhì)子與由放射性鈉衰變產(chǎn)生的反電子(或正電子)云混合在一個由電場控制的所謂混合勢阱中。

      普通氫是宇宙中最簡單和最豐富的元素,它由一個帶正電的質(zhì)子和一個帶負(fù)電的電子組成。ALPHA實(shí)驗(yàn)生成了數(shù)個反氫原子:原子核是一個反質(zhì)子,一個正電子圍繞著它。

      2002年,杭斯特博士報(bào)告稱,這些反氫原子在與普通氫原子相同的頻率和波長上發(fā)射和吸收光,正如愛因斯坦所預(yù)言的那樣。法揚(yáng)斯博士說,從那以后,許多實(shí)驗(yàn)都間接但強(qiáng)烈地表明反物質(zhì)也正常地受到引力作用。但是這些實(shí)驗(yàn)并沒有定論,因?yàn)橐Ρ扔糜诓倏胤丛拥碾姶艌鰪?qiáng)度的十萬億分之一還要弱。

      瓶中的反物質(zhì)信息

      在最新的實(shí)驗(yàn)中,反氫原子被束縛在一個約25厘米長的金屬容器內(nèi)的磁場中。由于反氫原子像氫原子一樣攜帶著它們自身微弱的磁場,它們會從這個瓶子的內(nèi)壁反彈。

      可以通過調(diào)節(jié)磁場來抗衡引力,使得反氫原子懸浮于瓶子中。在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)磁場強(qiáng)度緩慢減弱時,反氫原子們最終逃離了磁場,并在瓶子內(nèi)壁上自我湮滅,化成一道閃光。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,約80%的閃光發(fā)生在瓶子內(nèi)壁的下方。這表明,引力通常會將反原子往下拉,就像它對普通物質(zhì)所做的那樣。

      任何違背氫和反氫之間預(yù)期對稱性的結(jié)果都會撼動物理學(xué)的核心。

      沃特爾博士說,那還沒有發(fā)生,這個實(shí)驗(yàn)首次完成了對中性反物質(zhì)所受引力作用的直接測量,這是發(fā)展中性反物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的又一步。

      但是,這一結(jié)果留下了另一個謎題。根據(jù)相對論和量子力學(xué)——兩個都能描述宇宙但似乎相互矛盾的理論——宇宙大爆炸本應(yīng)該產(chǎn)生相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì),它們本應(yīng)該在很早以前就相互湮滅了。

      然而,我們的宇宙全是物質(zhì),除了宇宙射線簇和粒子對撞機(jī)碰撞的產(chǎn)物之外,找不到一點(diǎn)反物質(zhì)微粒。那么,究竟發(fā)生了什么?為什么宇宙包含了一些物質(zhì)而非什么都沒有?這個問題已經(jīng)被關(guān)注了近一個世紀(jì)之久。

      三年前,日本的一項(xiàng)涉及奇異粒子中微子的實(shí)驗(yàn)宣稱,中微子可能是理解宇宙不平衡的一條線索。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上,有一整套儀器,被稱為LHCb,致力于搜尋任何可能改變宇宙平衡的物質(zhì)與反物質(zhì)之間的差異。

      當(dāng)被問及ALPHA實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能否給LHCb團(tuán)隊(duì)提供任何見解時,沃特爾博士說:“由于我們的答案與正常引力一致,我不認(rèn)為它能給出任何線索,這很不幸?!边@是表達(dá)我們?nèi)圆恢牢覀優(yōu)楹纬霈F(xiàn)在這里的另一種方式。

      資料來源TheNewYorkTimes

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