科学家冷冻幽灵原子，为宇宙启示铺平道路

通过使用激光将正电子原子冷却到接近绝对零度，科学家们提高了我们对反物质的理解，可能会揭示宇宙中失踪物质等宇宙学奥秘。

大多数原子是由带正电的质子、中性中子和带负电的电子组成的。正电子是一种奇异的原子，由一个负电子和一个带正电的反物质正电子组成。

它自然是非常短暂的，但包括东京大学在内的研究人员成功地使用精心调谐的激光器冷却并减慢了正电子样品。他们希望这项研究能够帮助其他人探索物质的奇特形式，并且这样的研究可能会解开反物质的秘密。

失踪的宇宙之谜

我们的宇宙缺少了一些东西。如果你在过去的几十年里读过很多关于宇宙学的书，你可能听过这样一个奇怪的说法。科学家之所以这么说，是因为我们在宇宙中看到的几乎所有东西都是由物质构成的，包括你和你所在的星球。

然而，很长一段时间以来，我们已经知道了反物质，顾名思义，它是一种与常规物质相反的物质，反物质粒子与它们的物质粒子具有相同的质量和其他特性，但具有相反的电荷。当物质和反物质粒子碰撞时，它们会湮灭，人们普遍认为它们在时间之初是等量产生的。但我们现在看到的不是这样。

反物质研究进展

“现代物理学只占宇宙总能量的一部分。对反物质的研究可能会帮助我们解释这种差异，我们最近的研究在这个方向上迈出了一大步，”光子科学中心的副教授Kosuke Yoshioka说。

“我们已经成功地减慢和冷却了正电子的外来原子，它是50%的反物质。这意味着第一次可以用以前不可能的方式来探索它，这必然包括对反物质的更深入研究。”

了解正电子的性质

正电子听起来像是科幻小说里的东西，尽管寿命很短，但它确实存在。把它想象成我们熟悉的氢原子，它的中心是一个带正电的大质子，轨道上有一个带负电的小电子，只不过你把质子换成了电子的反物质形式——正电子。

这就产生了一种奇异的原子，它是电中性的，但没有大的原子核；相反，电子和正电子存在于相互的轨道上，使其成为一个两体系统。甚至氢也是一个多体系统，因为质子实际上是三个更小的粒子，称为夸克，粘在一起。由于正电子是一个两体系统，它可以完全用传统的数学和物理理论来描述，这使得它成为测试预测的理想选择。

Kosuke Yoshioka说：“对于像我们这样从事所谓精密光谱学研究的研究人员来说，能够精确地检查冷却的正电子的性质，意味着我们可以将它们与对其性质的精确理论计算进行比较。正电子是少数完全由两个基本粒子组成的原子之一，因此可以进行如此精确的计算。冷却正电子离子的想法已经存在了大约30年，但现在是我小组助理教授的本科生Shu Kenji的一句随意评论促使我接受了实现这一目标的挑战，我们最终做到了。”

正电子冷却技术的突破

Kosuke Yoshioka和他的团队在试图冷却正电子素时遇到了几个困难。首先，它的寿命很短，只有千万分之一秒。其次，它的质量非常轻。由于它很轻，你不能使用冷的物理表面或其他物质来冷却正电子，所以研究小组使用了激光。

你可能认为激光很热，但实际上，它们只是光的包，而光的使用方式决定了它对物体的物理影响。在这种情况下，一个微弱的、精细调谐的激光轻轻地向与正电子原子运动相反的方向推动它，使它减速并在此过程中冷却它。

重复这样做，在千万分之一秒的时间内，将部分正电子气体冷却到绝对零度以上1度左右（零下273摄氏度），这是任何东西都能达到的最冷温度。考虑到正电子气体在冷却前的温度是600开尔文（327摄氏度），在如此短的时间内发生了如此巨大的变化。

“我们基于理论模型的计算机模拟表明，正电子气体可能比我们目前在实验中测量到的还要冷。这意味着我们独特的冷却激光在降低正电子的温度方面非常有效，并且这个概念有望帮助研究人员研究其他外来原子，”Kosuke Yoshioka说。

“然而，这个实验只使用了一个维度的激光，如果我们利用所有三个维度，我们可以更精确地测量正电子的性质。这些实验意义重大，因为我们或许能够研究重力对反物质的影响。如果反物质在引力作用下的表现与常规物质不同，这可能有助于解释为什么我们的宇宙中缺少了一些东西。”

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