反物质，也就是普通物质的相等但相反的“双胞胎”，是一种难以捉摸的物质。在过去的 20 年里，科学家们才刚刚能够制造出最简单的反物质原子并使其稳定存在。现在，他们已经首次测量了反氢的内部结构。
氢是元素周期表中的第一个元素，由一个围绕一个质子的电子组成。与之对应的反氢有一个反电子，即正电子，和一个反质子。如果一个正电子和一个电子碰撞，它们会相互湮灭并释放能量。质子-反质子相互作用也是如此。由于我们的宇宙充斥着电子、质子以及它们的各种组合，因此要长时间保存任何一种反粒子都极其困难。
这正是欧洲核子研究中心（CERN）反氢激光物理装置（ALPHA）的物理学家们正在攻克的挑战。他们在磁瓶中创造真空，然后将正电子和反质子注入其中。理想情况下，两者会结合成反氢，磁瓶会使反物质保持稳定，然后科学家们就可以用激光对其进行研究。
几年前，科学家们成功地将反氢 囚禁了整整 15 分钟——比以往任何尝试都要长。在他们最新的里程碑中，ALPHA 的研究人员成功完成了任务的下一个环节：他们使用激光研究了反氢的结构。相关结果于周一发表在《自然》杂志上。
ALPHA 的发言人、物理学家 Jeffrey Hangst 表示：“过去，能够像这样持有反物质并对其进行实际研究，简直是科幻小说里的情节。不久前，这还被认为是不可思议的。所以，我们现在能够做到这一点，对我们来说本身就是一种革命。”
Hangst 和他的同事们已经进行了反氢的首次光谱测量。光谱学是一种揭示原子内部结构的方法。虽然我们通常想象电子围绕原子核运动，就像行星围绕恒星运动一样，但它实际上可以“围绕”几个不同的能级运动。当你用光照射原子时，它的电子会利用这些能量跳跃到更高的能级。然后它会跳回原来的能级，在这个过程中以光的形式释放能量。
由于原子中的能级间隔是固定的，电子在每次跳跃时都会吸收然后释放特定、离散量的光能。这种能量量反映在光的颜色上。例如，如果你想让一个氢原子的孤立电子从其基态（最低能级）跃迁到它上面的一个能级，你就必须用特定波长的紫外激光束照射该原子。
为了对反氢进行同样的测试，ALPHA 的研究人员首先必须制造出反氢并将其稳定住，这本身就是一项技术壮举。然后，他们必须用激光照射它。在这类光谱实验中，大多数情况下会照射数万亿个普通物质原子。而在这次实验中，他们只处理了大约 15 个反物质原子。
Hangst 说：“当你只有几个原子时，你必须更加聪明，而且难度更大。”这也意味着测量结果的不确定性会更大。“所以这只是第一步，”他补充道，“我们将在未来很多年里继续改进。”
未来的工作将在此突破的基础上，对反氢的能级进行精确测量。通过将其与氢的能级进行比较，研究人员可以更好地理解物质和反物质究竟有何不同。而这或许能揭示宇宙最大的谜团之一：我们为何存在？
理论上，大爆炸应该产生了等量的物质和反物质。而且，由于这两种物质接触时会相互湮灭，它们会释放出巨大的能量然后消失，留下一个空虚的宇宙。
Hangst 说：“反物质是零号难题。尽管我们取得了所有这些成功，但我们仍然无法解释宇宙为何得以幸存。”
现在科学家们已经掌握了囚禁和研究反物质的技术，他们可以开始在多个方面将其与物质进行比较。除了能级之外，ALPHA 团队还计划进行一项实验，以观察反氢对引力的反应。
Hangst 说：“我们生逢其时，我们也学会了如何做这件事。这开启了一系列新的可能性。”
