物理学家史上首次观察到反物质的光谱, 证明狭义相对论是对的

把爱因斯坦的狭义相对论放进测试中。

经过二十年的尝试，欧洲核子研究组织(CERN)的物理学家报告有史以来第一次测量反物质原子发射出来的光，揭露反氢原子是正常氢原子精确的镜像。

结果，最终证实了物理定律长期的预言，开启了一项测试爱因斯坦特殊相对论的新方法，而且可以协助我们回答现代物理学中最大的谜团之一：为什么会宇宙的物质比反物质多出很多？

没有参与这项研究、来自印第安纳大学(Indiana University)的理论物理学家艾伦‧寇斯托利基(Alan Kostelecky)表示：“这代表一个历史时刻，几十年来努力创造反物质，并且将它的特性与物质相比较。”

如果你不熟悉物理学整个"所有反物质在哪里？"的问题，这里有一些背景资讯。

物理定律预测，对于正常物质的每一个粒子，会有一个反粒子。所以对于每一个带负电的电子，会有一个带正电的正子。

这意味着对于每一个氢原子，会有一个反氢原子；而且就如同氢原子是由一个电子结合到一个质子所组成，反氢原子是由一个反电子结合到一个反质子所组成。

如果一个反粒子碰巧碰上一个粒子，它们会相互抵消，并且以光的形式释放出能量。

这个事实产生了两个相当大的问题。第一个问题是因为宇宙有太多的物质，所以物理学家实际上不可能在大自然界中找到反物质；因为甚至在有机会开始寻找之前，它们就被消灭了。

第二个问题是为什么物质比反物质多很多。如果目前的物理模型认为等量的粒子和反粒子是由大爆炸所产生的，那么宇宙中的一切事物不都应该自我相互抵消吗？

研究小组成员之一、来自瑞士欧洲核子研究组织阿尔发实验的杰弗利‧韩斯特(Jeffrey Hangst)说：“出了一些状况，一些小的不对称致使一些物质存留下来，而我们现在的确没有一个好的想法来解释。”

然而这一切将可能有所改变，因为有史以来第一次，科学家能够测量到一个由反氢原子发出的光，当它被激光击中时，并且与正常氢原子发出的光做比较。

这或许听起来不怎么样，但这是第一次我们能够有足够长的时间控制一个反氢原子，来直接测量它的行为，并且把它和正常的氢原子做比较。

韩斯特在一份新闻稿声明中说：“利用激光来观察反氢原子转变，并且与氢做比较，来看它们是否遵守相同的物理定律， 这一直是反物质研究的一个主要目标。”

因为不可能在大自然找到反氢原子，这是由于把氢原子看作是宇宙最丰富的元素，所以很容易抵消任何潜藏的反氢原子，因此科学家需要制造出自己的反氢原子。

在过去的20年，阿尔发团队一直在研究如何制造出足够的反氢原子，来实际获得对它们起作用的机会，并且终于找到了一种技术，让他们能够每15分钟制造出大约25,000个反氢原子，并且困住大约14个。

先前的方法只曾经在每15分钟困住1.2个反氢原子。

然后这些被困住的粒子受到激光的照射，以迫使正子从较低的能阶’跳’到较高的能阶。当正子回到较低的能阶时，可以测量到所释放的光量。

这个团队发现，经由相同的测试，反氢原子放射出与正常氢原子完全相同的光谱。

来自阿尔发团队的提姆‧萨普(Tim Tharp)告诉Gizmodo科技网站的莱恩‧曼德尔鲍姆(Ryan F. Mandelbaum)：“长久以来，反物质就被认为是与物质完全相反，而我们正在收集证据，来证明确实是如此。”

这个结果与粒子物理学的标准模型一致，预测氢原子与反氢原子具有相同的发光特性。但是现在物理学家有机会借由使用不同类型的激光，来测试更多的光谱放射。

如果它们最后都完全相同，爱因斯坦的狭义相对论就可以存在。如同Adrian Cho对自然(Nature)期刊解释：

“精确地解释为什么狭义相对论需要反物质来反射(镜射，mirror)物质，会涉及很多数学。但简而言之，如果这个反射关系不是精确的，那么狭义相对论背后的基本想法可能不是完全正确。

狭义相对论假设一个被称为时空的单一一元化东西，以不同方式分裂成空间和时间，使得观察者彼此相对运动。它假设没有一位观察者能说谁是真正在移动、或是谁是固定不动的。但是，如果物质和反物质不能互相反射，那就不是完全正确的。

但如果物质和反物质不互相反射，如果反物质不遵守与一般物质相同的物理定律，大爆炸模型就会有缺陷。

而这给我们有机会来重新思考每一件事物，彻底地解决为什么物质躲掉在宇宙中的全面消灭，并且允许我们和一切事物存在。

我们很显然是操之过急，但这些是这个实验开启的可能性，这是非常令人兴奋的东西。

韩斯特告诉国家公共广播电台：“我们真的非常高兴，终于能够说我们做到了这一点。对我们来说，这真的很重要。”