自然的对称性：欧核中心在反氢原子上重演狄拉克“关键误差”

一个带正电的质子，加一个带负电的电子，氢原子是世界上最简单的原子。现代物理学上许多最精妙的理论，却借这种原子显现，堪称大道至简。

1947年，在纽约州长岛东段的谢尔特小岛上，一场历史性的学术会议召开，主题是量子力学与电子问题。美国物理学家威利斯•尤金•兰姆（Willis Eugene Lamb）报告了他在氢原子光谱精细结构中的一个发现。

原来，根据狄拉克方程计算，氢原子的2S（1/2）和2P（1/2）能级相同，可以简并。然而，兰姆和同事用新兴的微波技术探测后发现，这两个能级其实并不吻合，而是存在一个小小小小的能级差。

就是从这个小小小小的豁口里，人类迄今为止最精确的理论——量子电动力学破壳而出。这个能级差后来被命名为“兰姆位移”，兰姆本人也凭此获得了1955年的诺贝尔奖。

兰姆在黑板上书写氢的狄拉克方程与兰姆位移

2020年2月20日凌晨，发表在顶级学术期刊、英国《自然》杂志上的一篇论文显示，欧洲核子中心（CERN）的研究团队在氢原子的反物质——反氢原子上同样观测到了兰姆位移。

虽然这次测量出的数值与理论的吻合程度只有11%，但也足以彰显出自然的根本对称性。另一方面，它也加深了人类的疑惑：既然物质与反物质性质如此对称，为何宇宙却由正物质主导？

对称与不对称

有意思的是，从狄拉克方程到量子电动力学的演化，本身就与反物质息息相关。

狄拉克方程是量子力学与狭义相对论的首次融合，用量子化的观念来描述原子的不同能级，由此，人们可以计算出氢原子的精细能谱。

狄拉克方程也首次预言了正电子的存在，它与电子的电量相当而电荷相反。所有的负能级被无数正负电子对填满，我们的世界漂浮其上，这就是狄拉克之海的概念。

狄拉克方程刻在他位于西敏寺的墓碑上

不过，正如兰姆位移所昭示的，狄拉克的理论存在缺陷。他把正电子视作狄拉克之海中的空洞，而非真实存在的粒子。

只有量子场论把真空的概念也量子化之后，反物质的概念才得以进一步完善。在微观世界里，无数对正反粒子凭空诞生，又瞬间相遇湮灭，形成不断的量子涨落。

不过，宇宙中可能有某种我们未知的扰动，导致正反物质并未对称地产生、湮灭，而是留下了更多的正物质，构成了我们所知的世界。

量产研究反物质

不出意外，做出此次反氢原子兰姆位移实验的是世界高能物理重镇欧洲核子中心。毕竟，要研究反物质，首先就得有“量产”反物质的能力。

从反电子的概念类推，反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成。

电子与正电子

一个名为反质子减速器将在真空管中制造出的“狂奔”粒子降到光速的十分之一以下，送到ALPHA实验组中。正电子则由一个钠放射源提供。

据《自然》上随论文附的“新闻与观点”文章，每隔几分钟，就有9万个反质子和300万个正电子在复杂的带电粒子陷阱中混合，产生约20个冷却的反氢原子。在超导磁铁制成的中性粒子陷阱中。它们可以保存至少60小时。

如前所述，人类对氢原子微观结构的探测走向精细化的历程，推动了原子理论的进化。1880年代，人类首次高精度地测量出氢原子的光学谱。兰姆位移则是用射频波谱完成的。如今，能量更高的激光光谱成为了主流的探测工具。

ALPHA实验团队将激光脉冲注入困住反氢原子的陷阱，导致反氢原子从基础的1S状态激发到2P1/2或2P3/2能级，然后衰减回1S状态。

欧洲核子中心用陷阱困住反氢原子

这些反氢原子随后与壁上的正常原子接触湮灭，产生带电的π介子。它们的数量能够描述出激光频率函数。

最后，研究人员利用这些函数的峰值位置推算出了1S和2P（1/2）、1S和2P（3/2）之间的能级差。结果与普通氢原子的兰姆位移较好地吻合。

看起来，正反物质又增加了一处对称。

那么，世界上的物质为何远远多于反物质？这种巨大的不对称性从何而来？这个研究并没有解答这个终极谜题，反而加深了悬念。不过，它起码为后继的解题者提供了限制条件，排除了一些错误方向。