近日,歐洲核子研究組織(CERN)旗下的反氫激光物理機(jī)構(gòu)(ALPHA),實(shí)現(xiàn)了基于激光的反氫原子操縱,這也是人類首次實(shí)現(xiàn)對(duì)反物質(zhì)的操作。
該成果發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上,并登上了雜志封面。
與物質(zhì)相比,反物質(zhì)最大的區(qū)別是帶不同的電荷。質(zhì)子帶正電荷,電子帶負(fù)電荷。而反質(zhì)子帶負(fù)電荷,反電子帶正電荷。反質(zhì)子和反電子組成的原子則是反原子。
本次實(shí)驗(yàn)中用的是僅由反質(zhì)子和反電子構(gòu)成的反氫原子,是最簡(jiǎn)單的反物質(zhì)原子。
其基本原理是,通過(guò)特制的激光器,發(fā)射特定頻率的激光。用光子來(lái)“撞擊”反氫原子,反氫原子吸收了幾十個(gè)光子之后,速度從每小時(shí)超過(guò)200英里,降低到每小時(shí)50公里以下。
多普勒效應(yīng)冷卻反氫原子
我們知道,溫度與粒子的運(yùn)動(dòng)高度相關(guān),粒子運(yùn)動(dòng)速度越高,運(yùn)動(dòng)越劇烈,其溫度越高。所以,降低粒子的運(yùn)動(dòng)速度,等效于給粒子“降溫”。當(dāng)把粒子的“溫度”降低到絕對(duì)零度時(shí),他就完全靜止了。當(dāng)然,這是理想情況,實(shí)際只能無(wú)限接近絕對(duì)零度。
通過(guò)激光冷卻原子,是物理研究的一個(gè)重要手段??梢哉f(shuō),現(xiàn)代物理就是建立在對(duì)普通原子的冷卻和操作基礎(chǔ)上的。
通過(guò)冷卻反物質(zhì),降低反物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度,可以幫助人們對(duì)反物質(zhì)進(jìn)行更精確的測(cè)量,了解其物理特性,比如精細(xì)結(jié)構(gòu)、重力屬性等。
冷卻下來(lái)的反物質(zhì)粒子,也更加好操作。在2020年2月,歐洲核子研究中心,通過(guò)將反質(zhì)子減速器中釋放的反質(zhì)子與反電子結(jié)合,才創(chuàng)造出反氫原子。
僅僅時(shí)隔一年,歐洲的研究機(jī)構(gòu),已經(jīng)可以在去年的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步操縱反氫原子了,這個(gè)進(jìn)步不可謂不快。
可以預(yù)見,歐洲核子研究機(jī)構(gòu)目前取得的成就馬上就會(huì)被打破,接下來(lái)可能會(huì)有一系列重要成果。
通過(guò)調(diào)整激光的功率和照射時(shí)間,可以將反氫原子的速度降得更低。目前將其速度降到每小時(shí)50公里,下次可能就是10公里、5公里、1公里。
速度越低,可操作性就越強(qiáng)。目前已經(jīng)可以將反質(zhì)子與反電子結(jié)合制造出反氫原子,下次就可以創(chuàng)造出更復(fù)雜的原子,甚至分子,然后一步步地創(chuàng)造出更多的反物質(zhì)。
能夠創(chuàng)造并操作反物質(zhì),對(duì)于人類來(lái)說(shuō)意義重大,甚至可以說(shuō)是提升人類文明等級(jí)的關(guān)鍵。
依據(jù)宇宙大爆炸理論,宇宙大爆炸初期,產(chǎn)生了等量的物質(zhì)與反物質(zhì)。但是,現(xiàn)在我們接觸到的反物質(zhì)卻非常少。
可以說(shuō),人類對(duì)于反物質(zhì)的了解還非常初級(jí),甚至都沒(méi)算開始。
物理學(xué)要往前發(fā)展,反物質(zhì)是繞不開的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。搞清楚了反物質(zhì),才有可能搞清楚我們這個(gè)宇宙。
而且,就能量利用來(lái)說(shuō),反物質(zhì)是能量的終極寶庫(kù)。
大體來(lái)看,人類的的能量利用可以分為三個(gè)階段:化學(xué)能、核能、湮滅能。
化學(xué)能是在分子層級(jí)的能量利用,最典型的就是火。應(yīng)該說(shuō),目前人類絕大部分時(shí)候都是在利用化學(xué)能。煤炭、石油、天然氣這些化石燃料的利用,就是化學(xué)能。
核能是在原子級(jí)別的能量利用,是目前人類能夠?qū)崿F(xiàn)的最高水平能量利用。核能分為核裂變、核聚變兩類,裂變已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可控,大量的核電站就是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上。核聚變還沒(méi)能實(shí)現(xiàn)可控,氫彈只是聚變能的一次性釋放。太陽(yáng)內(nèi)部的能量來(lái)源就是核聚變,一旦實(shí)現(xiàn)了可控核聚變,人類文明必將往前更進(jìn)一步??煽睾司圩兘o人類社會(huì)帶來(lái)的改變,將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)工業(yè)革命。
可控核聚變是人類遙遠(yuǎn)的夢(mèng),但并不是能量利用的最終形態(tài),最終形態(tài)是正反物質(zhì)的湮滅。只有正反物質(zhì)的湮滅,才可以把全部的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量。
掌握了湮滅能,人類才算進(jìn)入了新紀(jì)元。
值得提出的是,歐洲在前沿物理方面已經(jīng)走在國(guó)際前列,其中最知名的就是發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的LHC。
現(xiàn)代物理的發(fā)展,與伽利略、牛頓時(shí)代完全不同,除了各種理論模型,還需要大量的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。而這些實(shí)驗(yàn)裝置,動(dòng)輒投入幾十億。以LHC為例,該裝置耗資超過(guò)100億美元,40個(gè)國(guó)家的上萬(wàn)名科學(xué)家參與。
下一個(gè)探索前沿物理的裝置,價(jià)格肯定也不便宜。
中國(guó)目前面臨一個(gè)非常重要的抉擇——要不要斥巨資投入基礎(chǔ)物理研究。
我覺(jué)得中國(guó)還是要在基礎(chǔ)物理上舍得花錢的。要成為地球扛把子,除了在硬實(shí)力上取得絕對(duì)優(yōu)勢(shì),還需要在軟實(shí)力上讓別人心悅誠(chéng)服?!巴醯馈辈拍荛L(zhǎng)久,“霸道”是不長(zhǎng)久的。
中國(guó)在基礎(chǔ)物理上取得突破,比如首先實(shí)現(xiàn)可控核聚變,制造出反物質(zhì)分子,攻克癌癥,登陸火星等等。在這些領(lǐng)域引領(lǐng)人類前進(jìn),拓展人類的發(fā)展邊界,才能成為真正的帶頭大哥。
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