你可能聽說過激光冷卻，這是一種用激光束來降低原子或分子的溫度的技術。激光冷卻的原理是利用原子與光子之間的多普勒效應和輻射壓力，使原子吸收和發射光子，從而改變原子的動量和能量。如果激光的頻率比原子的共振頻率略低，那么原子只有在向激光方向運動時才能吸收光子，而在遠離激光方向運動時才能發射光子。這樣，原子就會受到一個與運動方向相反的力，使其減速。如果用多束激光從不同方向照射原子，就可以抵消原子的任意運動，使其溫度降低到接近絕對零度。

激光冷卻的應用非常廣泛，比如制造玻色-愛因斯坦凝聚態、實現原子鐘、進行量子信息處理等等。激光冷卻也可以用來研究一些特殊的原子，比如反氫原子。反氫原子是由一個正電子和一個反質子組成的反物質原子，它是反物質世界中的氫原子。

反氫原子的性質和氫原子的性質應該是完全相同的，這是由物理學的對稱性原理所要求的。但是，要驗證這一點并不容易，因為反氫原子一旦和普通物質接觸，就會立刻湮滅，釋放出大量的能量。所以，要研究反氫原子，就必須把它們隔離在真空中，并用磁場或電場來約束它們，防止它們和周圍的物質發生反應。

但是，即使這樣，反氫原子也不會乖乖地待在一個地方，它們會不斷地運動，而且運動的速度很快。反氫原子的運動速度決定了它們的溫度，而溫度越高，反氫原子就越容易逃逸出約束區域，或者和其他反氫原子發生碰撞，導致湮滅。因此，要想更好地觀測和測量反氫原子，就需要把它們的溫度降低，使它們的運動減慢。這就是激光冷卻反氫原子的目的。

激光冷卻反氫原子的難點在于，反氫原子的能級結構和氫原子的能級結構雖然相同，但是反氫原子的能級之間的躍遷頻率卻和氫原子的不一樣。這是因為反氫原子的質心運動會導致一個多普勒位移，使得反氫原子的共振頻率發生變化。這個多普勒位移的大小取決于反氫原子的速度，而速度又取決于溫度。所以，要想用激光冷卻反氫原子，就需要用一種能夠適應反氫原子不同速度的激光，也就是一種寬帶的激光。

這就是一篇最近發表在《物理評論快報》上的論文所做的工作。這篇論文的作者利用了一種長脈沖的亞歷山大石激光，來對自由飛行的反氫原子進行激光冷卻。他們選擇了反氫原子的13S-23P躍遷，這是一個三重態的躍遷，也就是說反氫原子的正電子和反質子的自旋都是向上的。這個躍遷的波長是243納米，也就是紫外光的范圍。

他們用這種激光強烈地飽和了這個躍遷，使得反氫原子在吸收和發射光子的過程中，受到了一個與運動方向相反的力，從而減速。他們觀察到了兩種激光引起的效應。第一種效應是反氫原子在13S態的數量增加了，這是因為激光促使反氫原子從壽命較長的33P態躍遷回13S態。第二種效應是反氫原子的溫度降低了，從380(20)K降到了170(20)K。他們還證明了反氫原子中最冷的部分的比例增加了58(9)%。

這篇論文的意義在于，它是第一次實現了反氫原子的激光冷卻，而且是在自由飛行的條件下，而不是在約束的條件下。這為進一步降低反氫原子的溫度，提高反氫原子的密度，延長反氫原子的壽命，以及進行更精確的反氫原子光譜測量等實驗，提供了一個新的途徑。這些實驗都是為了驗證反氫原子和氫原子是否完全相同，以及探索反物質和物質之間的對稱性和不對稱性。