你把它放在锯末里煮，
你在胶里给它加盐，
你把它和蝗虫放在袋子里浓缩：
始终要注意主要目标——
保持它的对称形状。
——刘易斯·卡洛尔
欧洲核子研究中心（CERN）的科学家于12月19日在《自然》在线发表了一篇关于反氢原子的光谱测量的论文，这是研究人员花费了20多年时间所追寻的成果。
ALPHA-2实验（? CERN）
为了理解这项研究的重要性，我们得从反物质开始说起。
反物质一直是科幻小说里的常客。在《天使与魔鬼》中，坏人们就试图用反物质炸弹摧毁梵蒂冈，汤姆·汉克斯扮演的兰登教授帅气的阻止了这个阴谋。在《星际迷航》里，企业号宇宙飞船的燃料正是反物质，利用正反物质的湮灭作为动力实现光速飞行。
但反物质并不仅存在于科幻中。例如，在生活中，有一种水果就会产生反物质。
那就是香蕉！
香蕉含有少量的钾-40，它在衰变的过程中偶尔释放出一个正电子（也就是电子的反物质）。其实，我们的身体也包含了钾-40，也就是说你自己也会释放正电子。除此之外，反物质也被运用在医学中，科学家也在研究反物质推进器等等。
反物质燃料。（? Sandbox Studio）
当然，研究反物质还有一个更重要的原因。在138亿年前，宇宙刚刚诞生，物理学家相信应该有等量的物质和反物质被创造出来。如果是那样，物质和反物质应该全都湮灭，只留下纯粹的能量。但是我们今天所观测到的宇宙到处都是由物质构成的，反物质去哪里了？（查看《为什么我们是由物质组成的？而不是反物质？》的详细讨论。）这是物理学最大的基本问题之一。因此物理学家想要通过研究反物质找出它们的一些意想不到的行为。
而我们已经迈出重要的一步。
在CERN的ALPHA实验中，科学家对准的目标是反氢原子。
左边为氢原子，右边为反氢原子。（? Antonine）
原子是由围绕原子核的电子构成。当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，它们会吸收或发生特定波长的光，形成原子的光谱。每个元素都有自己独特的光谱，因此被广泛应用在物理学、天文学和化学等领域。例如，通过分析遥远恒星的光谱我们就可以知道它们的组成成分。
氢原子的能谱。电子在不同轨道之间的跃迁会吸收或释放出特定波长的光子。（? Hyperphysics）
氢原子是由一个电子和质子组成的，它是宇宙间含量最丰富的粒子，它的光谱也已非常高的精度被测量。而反氢原子则是由一个正电子和反质子构成的，我们对它的了解并不多。
而且，反氢原子并不存在于自然界之中。因为物质和反物质粒子会相互湮灭，反氢原子一旦接触到物质就会迅速的消失。因此物理学家需要在实验中创造反氢原子。
为了困住反氢原子，物理学家利用电场在圆柱形的真空腔内的一端困住了160万个正电子和另一端困住9万个反质子。他们将正电子和反质子结合在一起形成25000个中性（不带电）的反氢原子，接着立即用磁场捕获。而这一点也不容易。
将正电子和反质子困在圆柱形真空腔的两端，当它们结合时会产生中性的反氢原子。
想要移动和捕获正电子或反质子很容易，因为它们都是带电粒子。但是反氢原子是不带电的，设计这种捕获陷阱要困难的多。靠着反氢原子带有一点点的磁性，研究人员设计了一个非常特殊的磁阱能够将反氢原子困住，才使进一步研究如何用光确定反物质的各种性质成为可能。
通过这个新的方法，科学家可以之前的设计捕获更多反氢原子。接着他们通过真空腔上的窗口向里面照射波长243纳米的激光，测量反氢原子1S - 2S的跃迁（从基态向更高能量的激发态跃迁）。测量结果表明反氢原子的跃迁频率与普通氢原子的跃迁频率一致。
CPT对称。（? Chad Ozel）
反氢原子和氢原子之间的相似性符合CPT对称的原理。CPT对称是指物理定律在电荷共轭（把粒子换成反粒子）、宇称（镜像中的世界）、时间反演的联合变换下保持不变。到目前为止科学家并没有发现任何物理情况是违反CPT对称的，而反氢原子提供了这么一个机会让我们去验证这个规则。
下一步，研究人员会通过利用更多不同波长的激光对反氢原子的光谱进行测量，以确定反物质和物质之间的对称性。ALPHA的团队也将建造一个新的仪器，并称之为ALPHA-g（字母“g”代表引力），用来验证反物质是如何下落的——引力对于物质和反物质是否一样。
我们希望在未来的实验中，科学家能够发现物质和反物质之间的确存在着意想不到的区别。打破对称性或许是通往更深层基本原理的重要一步。
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