氫的反物質「反氫」的物理性質被CERN測量,反物質研究迎來突破!

2021-01-09 科學新視界

隨著現代物理學慢慢走上「高精尖」的道路,基礎物理學的突破已經越來越難了,物理學相關的驗證實驗已經變得越來越難做了。而關於宇宙演化的研究,就更是如此了,望遠鏡越做越大,探測衛星越做越精密,但是研究之路依舊沒有明確的方向。

一般來說,為了理解宇宙的形成與演化,科學家除了需要利用太空望遠鏡和空間探測器外,還需要對現有的宏觀物質進行比較分析。但這裡又碰到了一個難題,那就是反物質太少了,對比材料嚴重不足。

我們知道,如今的宇宙中,反物質的比例是遠小於正物質的,但是根據粒子物理學經典模型預測,在宇宙大爆炸發生之後,應存在等量的物質和反物質,而事實卻預支相反,這正是物理學界的一個重大謎題。

反物質是指和正物質相反的物質,我們知道物質由原子組成,原子中帶電的粒子為質子和電子,其中電子帶正電,質子帶負電。而它們的對應的反粒子分別是反質子和反電子,反質子帶負電,反電子帶正電。以氫元素為例,正氫由一個帶負電的電子和一個帶正電的質子組成,而由一個帶正電的電子和一個帶負電的質子組成的元素就是反氫。

反氫的物理性質如何,這是物理學家們一直想要知道的。近日,歐洲核子物理研究中心(CERN)對反物質的研究有了突破性進展,歐核中心首次報告對反氫的一種物理性質實現高精度測量,此前,這種物理性質僅限於理論預測,而今終於完成對自然基本對稱性的重要檢驗。

這項研究將幫助人類進一步理解宇宙,我們知道,作為宇宙中最簡單的原子,正氫的精細結構和性質已經基本上被人類摸透了,但是由於反物質的難以製造和保存(與正物質接觸會直接湮滅,而人眼所見的物質都是正物質),在此之前,科學家們關於反氫的研究一直都沒有什麼進展。

而此次,歐洲核子物理研究中心的研究團隊在關於反氫的實驗中觀測到了「蘭姆位移(氫原子的2S(1/2)和2P(1/2)能級並不是吻合,而是存在著一個能級差)」。「蘭姆位移」本來是氫原子中才有的,但是研究團隊關於反氫的測量結果找到了「蘭姆位移」,這與科學家在實驗之前預測的結果一樣,意味著「自然基本對稱性」理論再一次得到了檢驗。

對於這個結果,整個科學家欣喜若狂,相關的科研人員表示:最新觀測結果與理論相符,而且反氫對應於氫的性質,這些結果為人類進一步研究反氫打開了大門,此後科學家們可以進一步檢驗反氫的量子電動力學性質,或者展開有針對性地檢驗粒子物理標準模型。

CERN在實驗中為了獲得「反氫」,利用了ALPHA裝置,這個裝置被認為是製造捕獲反物質的神器。在開始本次關於反氫物理性質的研究之前,ALPHA裝置還曾用特殊的磁場將單個的反氫原子「抓住了」1000秒,還曾對反物質與引力的相互作用進行分析,並完成反物質原子光譜測量。

本次研究幫助人類進一步了解反物質,在關於解決宇宙中為何反物質不可見這一問題上跨出了堅實的一步。現在的科學研究,道阻且長,每前進一步都需要無數的花費和無數人的努力,真的是太不容易了。再加上得到的實驗結果往往晦澀難懂,就導致了如今很多人都認為人類的基礎科學很多年都沒有進步了。其實不是基礎科學沒有進步,而是這些進步普通人根本不懂,人類還無法利用。

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