物理學家有史以來第一次觀察到反物質的光譜

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把愛因斯坦的狹義相對論放進測試中。

經過二十年的嘗試,歐洲核子研究組織(CERN)的物理學家報告有史以來第一次測量反物質原子發射出來的光,揭露反氫原子是正常氫原子精確的鏡像(mirror image)。

結果,最終證實了物理定律長期的預言,開啟了一項測試愛因斯坦特殊相對論的新方法,而且可以協助我們回答現代物理學中最大的謎團之一:為什麼會宇宙的物質(matter)比反物質(antimatter)多出很多?

沒有參與這項研究、來自印第安納大學(Indiana University)的理論物理學家艾倫‧寇斯托利基(Alan Kostelecky)告訴美國國家公共廣播電台(NPR):「這代表一個歷史時刻,幾十年來努力創造反物質,並且將它的特性與物質相比較。」

如果你不熟悉物理學整個”所有反物質在哪裡?”的問題,這裡有一些背景資訊。

物理定律預測,對於正常物質的每一個粒子,會有一個反粒子。所以對於每一個帶負電的電子,會有一個帶正電的正子。

這意味著對於每一個氫原子,會有一個反氫原子;而且就如同氫原子是由一個電子結合到一個質子所組成,反氫原子是由一個反電子(或正子)結合到一個反質子所組成

如果一個反粒子碰巧碰上一個粒子,它們會相互抵消,並且以光的形式釋放出能量。

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這個事實產生了兩個相當大的問題。第一個問題是因為宇宙有太多的物質,所以物理學家實際上不可能在大自然界中找到反物質;因為甚至在有機會開始尋找之前,它們就被消滅了。

第二個問題是為什麼物質比反物質多很多。如果目前的物理模型認為等量的粒子和反粒子是由大爆炸所產生的,那麼宇宙中的一切事物不都應該自我相互抵消嗎?

研究小組成員之一、來自瑞士歐洲核子研究組織阿爾發實驗(ALPHA experiment)的傑弗利‧韓斯特(Jeffrey Hangst)說:「出了一些狀況,一些小的不對稱致使一些物質存留下來,而我們現在的確沒有一個好的想法來解釋。」

然而這一切將可能有所改變,因為有史以來第一次,科學家能夠測量到一個由反氫原子發出的光,當它被雷射擊中時,並且與正常氫原子發出的光做比較。

這或許聽起來不怎麼樣,但這是第一次我們能夠有足夠長的時間控制一個反氫原子,來直接測量它的行為,並且把它和正常的氫原子做比較。

韓斯特在一份新聞稿聲明中說:「利用雷射來觀察反氫原子轉變,並且與氫做比較,來看它們是否遵守相同的物理定律, 這一直是反物質研究的一個主要目標。」

因為不可能在大自然找到反氫原子,這是由於把氫原子看作是宇宙最豐富的元素,所以很容易抵消任何潛藏的反氫原子,因此科學家需要製造出自己的反氫原子。

在過去的20年,阿爾發團隊一直在研究如何製造出足夠的反氫原子,來實際獲得對它們起作用的機會,並且終於找到了一種技術,讓他們能夠每15分鐘製造出大約25,000個反氫原子,並且困住大約14個。

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先前的方法只曾經在每15分鐘困住1.2個反氫原子。

然後這些被困住的粒子受到雷射的照射,以迫使正子從較低的能階’跳’到較高的能階。當正子回到較低的能階時,可以測量到所釋放的光量。

這個團隊發現,經由相同的測試,反氫原子放射出與正常氫原子完全相同的光譜。

來自阿爾發團隊的提姆‧薩普(Tim Tharp)告訴Gizmodo科技網站的萊恩‧曼德爾鮑姆(Ryan F. Mandelbaum):「長久以來,反物質就被認為是與物質完全相反,而我們正在收集證據,來證明確實是如此。」

這個結果與粒子物理學的標準模型一致,預測氫原子與反氫原子具有相同的發光特性。但是現在物理學家有機會藉由使用不同類型的雷射,來測試更多的光譜放射。

如果它們最後都完全相同,愛因斯坦的狹義相對論就可以存在。如同Adrian Cho對自然(Nature)期刊解釋

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「精確地解釋為什麼狹義相對論需要反物質來反射(鏡射,mirror)物質,會涉及很多數學。但簡而言之,如果這個反射關係不是精確的,那麼狹義相對論背後的基本想法可能不是完全正確。

狹義相對論假設一個被稱為時空(spacetime)的單一一元化東西,以不同方式分裂成空間和時間,使得觀察者彼此相對運動。它假設沒有一位觀察者能說誰是真正在移動、或是誰是固定不動的。但是,如果物質和反物質不能互相反射,那就不是完全正確的。

但如果物質和反物質不互相反射,如果反物質不遵守與一般物質相同的物理定律,大爆炸模型就會有缺陷

而這給我們有機會來重新思考每一件事物,徹底地解決為什麼物質躲掉在宇宙中的全面消滅,並且允許我們和一切事物存在。

我們很顯然是操之過急,但這些是這個實驗開啟的可能性,這是非常令人興奮的東西。

韓斯特告訴國家公共廣播電台:「我們真的非常高興,終於能夠說我們做到了這一點。對我們來說,這真的很重要。」

這項研究發表於自然(Nature)期刊

來源: ScienceAlert