反物质，宇宙中神秘的镜像物质，很难制造，也很难研究。一个能让它冷静下来的激光可以改变这一切。

反物质，目前存在的难题究竟是什么？

目前，关于反物质的问题是——其实根本就没有（找到）太多的反物质。没有人知道为什么。如果我们从零开始制作这些“反物质”，就如同徒手爬上喜马拉雅山一样困难。此外，普通物质和带相反电荷的反物质如果接触就会互相湮灭。因此其的制作和保存条件是非常挑剔的。所以，关于反物质的真实情况是——物理学家对它的了解也并不多。

不过，他们构思了一个很好的理论。这一理论：本质上是一种描述亚原子粒子行为的“标准模型”。反物质普遍认为是能做物质所能做的一切事情，只是它穿着一双向后走的“鞋子”，而且看起来是一样的。（更正式的说法是 "CPT对称"，就像电荷奇偶时间一样，如果你把物质换成反物质，时间倒转，新的宇宙就会和当前的宇宙一样。）这只是一种假设性理论；它需要实验与测试去验证，然而这几乎很难观测到。然而，现在他将会变得容易得多。以瑞士粒子物理实验室欧洲核子研究中心（CERN）为中心的一大群科学家，是当今世界上制造反氢（氢的反物质）的顶尖科学家。就在上周，他们在《自然（Nature）》杂志上发表了一项研究成果，结果表明，这些科学家可以将这些反物质冷冻到只有几分之一开尔文度的低温（约为-273℃，接近绝对零度）。冷原子（和反原子）的速度很慢，这使得它们更容易研究。

那么，科学家们是如何将反物质“冷静下来”的呢？

让原子冷却的一个众所周知的方法是——用激光使原子减速。这比我们想象得更有意义。当一个物体运动时，其既具有动能，同样也具有热能。激光是由光构成的，光是由称为光子的亚原子粒子构成的。光子，是电磁能量中最微小的一部分，有动量但没有质量。当一个光子具有适当的能量或波长，这取决于我们想如何看待它击中一个原子，这个原子吸收光子，获得一些能量，然后再发射它。在这个过程中，原子会产生反冲力，反弹一点。

现在，这些原子在四处移动，就像在一团气体中一样。这就意味着，由于多普勒效应的存在，对于向激光方向移动的光和离开激光方向的光，实际的波长会有所不同。对观测者来说，当光源的波长向外延伸时，远离它们的光源会看起来更红。那意味着你可以偷偷摸摸。把激光调到只向后推以一定速度运动的原子——一个高速度的原子，然后再这样重复很多遍，就可以让一切都慢下来。最终，我们可以让这些反物质“冷静下来”。

这一切都与欧洲核子研究小组制造的反氢有关。但是反氢有一堆麻烦。“如果我去买一些铯原子，其实我完全可以买一台现成的激光器来为我做到这一点。”杰弗里·汉斯特（Jeffrey Hangst）说，他是一位物理学家，也是欧洲核子研究中心反氢激光物理仪器项目“阿尔法”的发言人。“但是，由于氢很轻，我需要的那个光子是在真空紫外线中。而那种光不能通过空气传播。它完全被吸收了。“在这里所说的激光不是激光笔绿色那种光线，而是一种看不见的东西——紫外线。

从物理学的角度来看，这是极为糟糕的。但研究人员已经别无他选了。“我们不能制造出反物质铷或铯。”加拿大粒子加速器中心Triumf的研究科学家、Alpha-Canada小组负责人藤原·真一（Makoto Fujiwara）认为：“但是，如果你想要驱动氢，就必须有一个波长很短、能量很高的激光器。”这台Chillaxatron 5000必须发出121纳米、紫外线很强的光，并将光照射到一瓶完全在真空中含有磁性的反氢中。

如此看来，这是一件极为艰难的事情。“氢很难用激光冷却，主要问题就在于这些该死的紫外线激光器”，汉斯特（Hangst）如此说道。

在此之中，激光必须精确地完成一系列不同的工作。“你必须真正精确地控制频率，这样我们才能进行多普勒频移。”不列颠哥伦比亚大学的化学家、激光制造者之一高政·百岁（Takamasa Momose）说。此外，激光器必须在脉冲中输出足够的能量，这样冷却就不会耗费很长时间。

但这并非不可能。所有这些都是团队一手建立的。当他们把它射向反氢时，它就像氢一样冷却了，这一现象已经是个好兆头了。

需要说明的是，这并不是说你可以把温度计插入磁阱。你用不同的方法测量这种能量。去年，同一个团队对他们的反氢进行了光谱分析，通过观察反氢发射的光谱来分析反氢。移动较慢的原子会发出较窄的光谱，当研究人员观察它们的激光后原子时，这些冷原子所得到的结果也正是如此。他们还测试了他们的新研究成果，通过检查冷却后的原子从群中弹回并撞击容器后壁所需的时间（即湮灭）。这就是所谓的“飞行时间”，冷却的原子需要更长的时间。他们做到了这一点。

就像你不能精确测量它们的温度一样，你也不能用雷达枪对准反氢原子。藤原（Makoto）认为，反氢通常以每秒100米左右的速度飞行，而超冷原子的移动速度仅为每秒10米左右。“如果你的速度足够快的话，你几乎可以在原子经过的时候抓住它。”（它会消灭一个原子，但整体仍然是十分坚固的。）

在这一点上，我们有理由问这一切是否值得。谁需要非常慢，非常冷的反物质？答案是——物理学家。加州大学圣地亚哥分校的物理学家克利福德·苏尔科（Clifford Surko）表示：“除非事情真的很糟糕，否则这项技术将非常重要，甚至可能是至关重要。作为一个实验者，我认为，现在你有了一整套的技巧，反氢原子的另一个把柄。这真的很重要。它开辟了新的可能性。”

这些可能性包括弄清反物质是否真的与物质的物理学相呼应。以引力为例：广义相对论中的等价原理说，引力相互作用应该独立于物质是否为反物质。但没人确切知道。“我们想知道，如果你有一些反氢，你把它丢掉会发生什么。”汉斯特（Jeffrey Hangst）说。

当然，不会真让你来做。因为这个实验很难做，其中重力实际上是个“累赘”。那些热气体的东西不会掉下来，只是弹来弹去。反物质会撞到机器的墙壁上，然后湮灭。“地心引力太弱了，你可能什么都看不见。”

不过，把反氢的速度减慢到接近绝对零度，它开始更像液体而不是气体。它开始更像液体，而不会像气体一样喷得到处都是。“我们想知道的第一件事是，反氢会下降吗？因为有一个疯狂的边缘理论认为它上升了——理论学家认为物质和反物质之间有排斥引力。不过这一件事情也太魔幻了。”汉斯特（Jeffrey Hangst）说。

物理学家实际上并不需要激光冷却来观察反氢是否像“薛定谔的猫”一样。那将是极为荒诞性的。“但是如果我们现在假设，像大多数理论家那样，反氢会坠落，那么你想问，它真的会以同样的方式坠落吗？”汉斯特（Jeffrey Hangst）问道。精确测量重力引起的加速度在这里是一个短期的游戏，而激光冷却很可能使之成为可能。

另外，更多的光谱学也在进行研究中。对于快速移动的原子来说，这很难做到，但如果把它们慢下来，阿尔法团队就能比较反氢和氢的光谱。它们的小数位数应该是相同的。但如果不是呢？这是违反新物理学的标准模型。

该研究小组还希望研究更细微的物质，比如氢的两个特定能级之间的差异值。这个难以测量的数字——兰姆位移，对于反氢和氢来说应该是一样的。同样，没人知道是否正确。这些答案中的任何一个都可能回到本文刚开始所提到的一个更大的问题：现在，为什么宇宙几乎完全是物质而不是反物质？也没有人知道这一点，但更仔细地研究反物质可能有助于解释它。而最终，研究人员也许能够将反氢原子结合成更稳定的反氢分子，一种氢反分子。在那之后，我们希望有一天，也许会出现氢反离子，或者（如果有人发明了一种制造其他反物质元素的方法）更大、光谱上更为有趣的反分子。

这种真正检验某些理论的机会在实验物理学中并不经常发生。但是，这是最好的开始动机。欧洲核子研究中心的粒子加速器在2018年因一个大型翻新项目而下线。新冠疫情又导致了该项目重启的推迟。但是，今年这一反物质的研究又被“激光”所点亮了。“没有什么我们想象不到的事情是用氢气做的。这一直是可信度的差距——我们什么时候才能证明你能用氢作什么？“汉斯特（Jeffrey Hangst）认为，“我想专家们现在会同意我们的设想的。我们有数据，可以得到所需要的温度。我们有重现性来研究系统效应。" 他预计重力实验将在8月开始。让对其的后续进展我们拭目以待吧。

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