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科學報 科學文摘 宇宙

為何我們直到今天才觀察到反氫的光譜?為何研究反物質如此困難?


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更新日期:2022325
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物理學家回答: 盡管反物質首次於1932年在實驗中得到確認,但在2016年12月前,一直未曾有人看到過任何反物質的原子光譜。

氫的原子光譜。為了觀測到它,取一些氫,將它加熱,然後觀察它發出的光。非常簡單。反氫(看起來)擁有完全相同的光譜,只是要得到它就困難得多了。

反物質的問題在於你不能讓它接觸任何東西。一旦接觸:砰。雖說考慮到我們一次只能用上一些原子,它還不止“砰”的一聲。由於其生成方式,避免反物質觸碰任何東西特別棘手。在自然界,反物質不會大量存在,因為就和其它所有事物一樣,它最終會撞上什麼東西,但和其它所有事物不同的是,它只能撞上一次。這意味著你無處找尋它:你不可能提取或者開采反物質,你只能制造它。

我們用使粒子相撞的方式來制造它。每當有充足的額外能量聚在一處時,會有新的粒子以粒子/反粒子對的形式同時生成。通常,當有充足的能量以生成物質和反物質時,能量也足以使這些新的粒子移動起來。

左圖: 鉛離子被以光速射向彼此。右圖:在一對鉛離子撞擊彼此之後,探測器觀察到的新粒子的運動軌跡。

在反物質生成之後,必須將它從(接近)光速減緩至步行速度,隨後僅運用電磁場,使它持續飄浮在高真空之中。但電場僅對帶電粒子有效;中性物質(它們擁有等量的正負電荷)並不會受吸引或者排斥。

同時,原子光譜是由原子裏不同能級間躍遷和回落的電子或者正電子(反電子)生成的。但一旦你將反質子和正電子放在一起制造出反氫,你就有了一個電中性的原子,它即刻會落到你的容器底部,並且以螞蟻點足那樣的力道直接湮滅了(單個反物質原子不值得憂慮)。

幸運的是,許多原子,包括氫和反氫,都有一個“磁矩”。雖然它們呈電中性,而且對電場無反應,但它們會有像小塊條形磁鐵那樣的表現,我們可以利用這一點使它們保持懸停。即使如此,這也不是很輕松的工作;純粹為了好玩的話,你可以試試用其它磁鐵將某塊磁鐵懸停在半空中(你會很快發現這一次次掉下來失敗直到你放棄的整個過程,比起好玩來,更適於被當成學習的經歷。)

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核物理學家沒有因為不夠好玩而停下腳步,他們聰明地想出了一種方法,使冷(緩慢)的原子懸停。所謂“異極相吸同極相斥”的簡單法則並不適用,因為每個原子都既有北極又有南極。相反,我們不得不依靠一個更為精妙(弱)的效應:氫是“抗磁性的”,意思是它會與強磁場相斥。

水,和放大以後看到的青蛙,具有抗磁性,使它們有可能在絕對過強的磁場(~16特斯拉)中飄浮。反諷的是,這比懸停單個原子要容易,因為固著在一起的原子的大集合遠不會那麼快地四處躍動。

即使如此,將剛從加速器裏生成的反質子和正電子用磁捕獲,使它們結合在一起並懸停下來, 就好像用一只很淺的碗試圖從消防噴水頭接住水一樣。歐洲核子研究組織(CERN)用反質子和正電子生成反氫的過程中大約28%有效。而隨後將這些原子捕獲的過程中大約僅有0.056%有效。在一次特定嘗試中生成的9萬個反質子之中,平均只有14個成功地轉化為受控的反氫。

一旦你成功克服了所有這些“小麻煩”,所剩的也就是精確地測定由一束激光激發的一打原子所發出的光了。這同樣非常困難,但僅僅是由於測出任何如此小的樣本都很費勁而已。

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順便一提,最終的結果是,反氫的光譜和那些常規的,像洗碗水一樣無趣的(作為洗碗水的主要成分之一)氫的光譜極為相像,無法相互區分。這給人們留下了“宇宙中為何沒有更多的反物質”這一問題。當我們制造反物質時,我們同時也制造出了恰好等量的常規物質,同樣的情況在每次我們所知的生成/湮滅過程中都是一樣的。人們的期待是,在物質與反物質之間存在什麼根本性的不同,能夠區分兩者,這種不同應該比所謂的“它們一樣,但是相反”要深刻得多。這一被期待已久的實驗展現出,正電子和反質子相互作用的方式和電子與質子相互作用的方式完全一樣(但相反)。而總是有細節和更多東西等待我們去探索,所以:繼續我們下一項研究吧。為了科學。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

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2.天文學名詞

3. Physicist-葉螢

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