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在反物质探索上,欧洲走在中国前面

近日,欧洲核子研究组织(CERN)旗下的反氢激光物理机构(ALPHA),实现了基于激光的反氢原子操纵,这也是人类首次实现对反物质的操作。

该成果发表在《自然》(Nature)杂志上,并登上了杂志封面。

与物质相比,反物质最大的区别是带不同的电荷。质子带正电荷,电子带负电荷。而反质子带负电荷,反电子带正电荷。反质子和反电子组成的原子则是反原子。

本次实验中用的是仅由反质子和反电子构成的反氢原子,是最简单的反物质原子。

其基本原理是,通过特制的激光器,发射特定频率的激光。用光子来“撞击”反氢原子,反氢原子吸收了几十个光子之后,速度从每小时超过200英里,降低到每小时50公里以下。

多普勒效应冷却反氢原子

我们知道,温度与粒子的运动高度相关,粒子运动速度越高,运动越剧烈,其温度越高。所以,降低粒子的运动速度,等效于给粒子“降温”。当把粒子的“温度”降低到绝对零度时,他就完全静止了。当然,这是理想情况,实际只能无限接近绝对零度。

通过激光冷却原子,是物理研究的一个重要手段。可以说,现代物理就是建立在对普通原子的冷却和操作基础上的。

通过冷却反物质,降低反物质粒子的运动速度,可以帮助人们对反物质进行更精确的测量,了解其物理特性,比如精细结构、重力属性等。

冷却下来的反物质粒子,也更加好操作。在2020年2月,欧洲核子研究中心,通过将反质子减速器中释放的反质子与反电子结合,才创造出反氢原子。

仅仅时隔一年,欧洲的研究机构,已经可以在去年的基础上,进一步操纵反氢原子了,这个进步不可谓不快。

可以预见,欧洲核子研究机构目前取得的成就马上就会被打破,接下来可能会有一系列重要成果。

通过调整激光的功率和照射时间,可以将反氢原子的速度降得更低。目前将其速度降到每小时50公里,下次可能就是10公里、5公里、1公里。

速度越低,可操作性就越强。目前已经可以将反质子与反电子结合制造出反氢原子,下次就可以创造出更复杂的原子,甚至分子,然后一步步地创造出更多的反物质。

能够创造并操作反物质,对于人类来说意义重大,甚至可以说是提升人类文明等级的关键。

依据宇宙大爆炸理论,宇宙大爆炸初期,产生了等量的物质与反物质。但是,现在我们接触到的反物质却非常少。

可以说,人类对于反物质的了解还非常初级,甚至都没算开始。

物理学要往前发展,反物质是绕不开的一个关键节点。搞清楚了反物质,才有可能搞清楚我们这个宇宙。

而且,就能量利用来说,反物质是能量的终极宝库。

大体来看,人类的的能量利用可以分为三个阶段:化学能、核能、湮灭能。

化学能是在分子层级的能量利用,最典型的就是火。应该说,目前人类绝大部分时候都是在利用化学能。煤炭、石油、天然气这些化石燃料的利用,就是化学能。

核能是在原子级别的能量利用,是目前人类能够实现的最高水平能量利用。核能分为核裂变、核聚变两类,裂变已经实现了可控,大量的核电站就是建立在这个基础上。核聚变还没能实现可控,氢弹只是聚变能的一次性释放。太阳内部的能量来源就是核聚变,一旦实现了可控核聚变,人类文明必将往前更进一步。可控核聚变给人类社会带来的改变,将远远超过工业革命。

可控核聚变是人类遥远的梦,但并不是能量利用的最终形态,最终形态是正反物质的湮灭。只有正反物质的湮灭,才可以把全部的质量转化成能量。

掌握了湮灭能,人类才算进入了新纪元。

值得提出的是,欧洲在前沿物理方面已经走在国际前列,其中最知名的就是发现“上帝粒子”的LHC。

现代物理的发展,与伽利略、牛顿时代完全不同,除了各种理论模型,还需要大量的实验装置来进行验证。而这些实验装置,动辄投入几十亿。以LHC为例,该装置耗资超过100亿美元,40个国家的上万名科学家参与。

下一个探索前沿物理的装置,价格肯定也不便宜。

中国目前面临一个非常重要的抉择——要不要斥巨资投入基础物理研究。

我觉得中国还是要在基础物理上舍得花钱的。要成为地球扛把子,除了在硬实力上取得绝对优势,还需要在软实力上让别人心悦诚服。“王道”才能长久,“霸道”是不长久的。

中国在基础物理上取得突破,比如首先实现可控核聚变,制造出反物质分子,攻克癌症,登陆火星等等。在这些领域引领人类前进,拓展人类的发展边界,才能成为真正的带头大哥。

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