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【基础前沿】世界上最细微的差别,一旦发现将改写宇宙历史
爱因斯坦 2017-09-17
导语

反氢原子的光谱线和氢原子的吻合得非常好,看来要找出两者之间究竟有什么差别,还有更长的路需要走。

编者按:本文来自微信公众号"徐德文"(ID:xudewen028),e科网经授权发布。

在电影《天使与恶魔》里,欧洲核子研究中心(CERN)的一小瓶反物质被盗走,梵蒂冈陷入被夷平的巨大威胁之中。电影中反物质被约束在一个小小的磁性瓶子里,一旦电池耗尽就将和正常物质接触发生大爆炸,造成比核武器威胁还大数十甚至上百倍的破坏。

反物质为什么具有如此大的威力?原来它和组成我们这个世界的所谓正物质接触后,会发生湮灭,所有的质量都会转化成能量,因此是最彻底的能量释放,当然威力无穷了。大爆炸理论一直认为宇宙大爆炸发生的时候,创造出了几乎同等数量的正反物质粒子,正常物质粒子仅比反物质粒子多百亿分之一,它们发生湮灭后,多出来的正常物质粒子便留下来创建了宇宙中所有的星系、恒星级其它物质。大爆炸发生的时候,反物质为什么比正常物质略少一些,一直是科学界争论不休的话题,要找到这个问题的答案,研究反物质和正常物质之间有什么差别就成了问题的关键。

而要研究正反物质之间有什么差别,就必须制造反物质并观测它们的光谱,欧洲核子研究中心一直在进行这方面的实验,目前已经能够一次性制造出十多颗反氢原子,并约束在磁装置中16分钟。如果要制造出电影中那一小瓶反物质,CERN的说法是至少需要数十亿年,而且装它的瓶子至少得有一座房子大吧,所以感到恐慌的读者现在可以试着安抚一下自己那颗瘦弱的心了。

今天发表在自然杂志上的一篇论文揭开了反物质研究的新篇章,来自17个机构的50位科学家,报告了关于反物质原子光谱线的第一份超精细观测资料。在此前的研究中,科学家们观测到的反物质光谱线和正常物质相比还是比较粗糙的,不足以发现正反物质之间有什么差别。不过在这次观测中,科学家们依然如愿以偿地发现,反氢原子的光谱线和氢原子的吻合得非常好,看来要找出两者之间究竟有什么差别,还有更长的路需要走。科学家们计划再进一步提高观测精度,以检测两种原子之间是否存在更细微的差别,而这一步肯定是相当地困难,每一步都举步维艰,甚至可能根本就没有结果。

反物质和正常物质粒子互为镜像,除了携带的电荷、自旋和动量刚好相反之外,其它所有的属性似乎都是相同的,所以它们的差别是世界上最细微的,除了它们相互拥抱发生湮灭的那一刻,我们暂时还没有任何办法区分它们。好在这个宇宙中我们还没有发现自然状态下存在的反物质,科学家们暂时没有发现它们之间的区别对我们来说尚无大碍,只是宇宙中反物质消失之谜对基础物理研究至关重要,一旦我们发现正反物质之间的差别,或许就可以揭开宇宙的终极秘密,改写整个宇宙研究的历史。

文章链接:

M. Ahmadi et al. Observation of the hyperfine spectrum of antihydrogen, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature23446 

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作者 爱因斯坦

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
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