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氢原子|为什么我们直到本世纪才能观察到反氢原子光谱？

物理学家表示:尽管在1932年通过实验首次证实了反物质的存在 ， 但直到2016年12月 ， 才有人观察到反物质的原子光谱 。
氢原子光谱 。 要想看到氢原子光谱 ， 首先你得有一些氢气 ， 将其加热 ， 并观察它发出的光 。 这很容易操作 。 事实证明 ， 反氢原子光谱与氢原子光谱完全相同 ， 只是更难发现罢了 。
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研究反物质难就难在你不能让它接触任何东西 。 一旦接触就会爆炸 。 虽然 ， 我们每次只能制造几个原子 ， 但更像是在制造“爆炸” 。 考虑到反物质生成过程 ， 要防止它接触其他物质就特别棘手 。 自然界中反物质不会大量存在 ， 因为就像其他物质一样 ， 它最终会撞到某个东西 ， 但与其他物质不同的是 ， 它只能撞一次 。 这意味着反物质无处可寻：你既不能提取 ， 又不能开采 ， 你只能造它 。
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我们通过粒子碰撞来制造反物质 。 某地只要有足够的额外能量 ， 新的粒子就会以粒子/反粒子对的形式自发地产生 。 通常 ， 周围有足够的能量产生新的物质和反物质时 ， 也就有足够的能量让这些新粒子运动 。
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【氢原子|为什么我们直到本世纪才能观察到反氢原子光谱？】氢原子|为什么我们直到本世纪才能观察到反氢原子光谱？
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左图:铅离子以光速射向彼此 。 右图:一对铅离子相互撞击后 ， 探测器发现的新粒子的运动轨迹 。
反物质产生后 ， 必须把它从(接近)光速降至步行速度 ， 然后只通过电磁场使它在高真空中漂浮 。 但是电场只对带电粒子起作用;中性物质(具有等量的正负电荷)不会被吸引或排斥 。
同时 ， 原子光谱是由原子中的电子或正电子(反电子)在能级之间跃迁产生的 。 但只要你把反质子和正电子放一起制造出反氢原子,你就得到了一个电中性的原子,它会迅速落到容器底部 ， 并湮灭 ， 蚂蚁轻轻跺脚的力量就足以将其毁灭(单个反物质原子不会让人失眠) 。
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幸运的是 ， 包括氢原子和反氢原子在内的许多原子 ， 都有“磁矩” 。 虽然它们是电中性的 ， 电场对其不起作用 ， 但它们就像小块条形磁铁一样 ， 我们可以利用磁力让其悬浮 。 即便如此 ， 这可不是件容易事;只是为了好玩的话 ， 可以试着用其他的磁铁把一块磁铁悬在半空中(很快你就会发现 ， 自己经历了无数次失败 ， 最后不得不放弃 ， 而这中间的乐趣还不如学习来得多) 。
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（图源：qq.com）
核物理学家并未因缺乏乐趣而吓倒 ， 他们巧妙地设计了一种方法来使冷(慢)原子保持悬浮 。 “异性相吸 ， 同性相斥”的简单规则并不适用于此 ， 因为每个原子都有一个南极和一个北极 。 相反 ， 我们不得不依赖一个更微妙的(微弱的)效应:氢是“抗磁的” ， 这意味着它会被强磁场排斥 。
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水和青蛙都是抗磁的 ， 这使它们能够漂浮在磁场值约为16特斯拉的最小超强磁场上 。 讽刺的是 ， 这比让单个原子悬浮更容易 ， 因为聚集在一起的大量原子(比如这里的克米特)弹跳速度要慢得多 。
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（图源：qq.com）
即便如此 ， 在磁阱中 ， 把刚从加速器里获得的反质子和正电子结合并悬浮起来 ， 就像用一个浅浅的碗从消防软管中接水一样 。 在欧洲核子研究中心 ， 利用反质子和正电子制造反氢原子的效率约为28% 。 捕获这些原子的效率大约是0.056% 。 一次尝试产生的9万个反质子里 ， 平均只有14个含有反氢原子 。
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一旦克服了所有小麻烦 ， 剩下的就是精确探测十二个原子发出的光 ， 这些光是由激光所激发的 。 这一过程也不简单 ， 因为检测一个如此小的样本非常棘手 。
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顺便一提 ， 最终研究结果显示反氢原子光谱与普通的、像洗碗水一样无光泽的氢原子(洗碗水的主要成分)无法区分 。 这就留下了一个问题:为什么宇宙中没有更多的反物质?当我们制造反物质时 ， 我们也制造了等量的普通物质 ， 每个创造/湮灭过程都是如此 。 人们期待物质和反物质能有根本上的不同 ， 这比“相同但相反 ， 你知道吗？”更深刻 。 这个期待已久的实验表明 ， 正电子和反质子之间的相互作用与电子和质子之间的相互作用完全相同(但恰恰相反 ， 你知道吗?) 。 还有更多细节有待探索 ， 接下来为了科学继续前进吧 。
作者: The Physicist
FY: 达尔文今天没有进化
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