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(shù)。激光冷卻的原理是利用原子與光子之間的多普勒效應(yīng)和輻射壓力，使原子吸收和發(fā)射光子，從而改變?cè)拥膭?dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)才能吸收光子，而在遠(yuǎn)離激光方向運(yùn)動(dòng)時(shí)才能發(fā)射光子。這樣，原子就會(huì)受到一個(gè)與運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，使其溫度降低到接近絕對(duì)零度。

激光冷卻的應(yīng)用非常廣泛，比如制造玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、實(shí)現(xiàn)原子鐘、進(jìn)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(gè)正電子和一個(gè)反質(zhì)子組成的反物質(zhì)原子，它是反物質(zhì)世界中的氫原子。

反氫原子的性質(zhì)和氫原子的性質(zhì)應(yīng)該是完全相同的，這是由物理學(xué)的對(duì)稱性原理所要求的。但是，要驗(yàn)證這一點(diǎn)并不容易，因?yàn)榉礆湓右坏┖推胀ㄎ镔|(zhì)接觸，就會(huì)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(chǎng)或電場(chǎng)來約束它們，防止它們和周圍的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

但是，即使這樣，反氫原子也不會(huì)乖乖地待在一個(gè)地方，它們會(huì)不斷地運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)的速度很快。反氫原子的運(yùn)動(dòng)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(qū)域，或者和其他反氫原子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致湮滅。因此，要想更好地觀測(cè)和測(cè)量反氫原子，就需要把它們的溫度降低，使它們的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)在于，反氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)雖然相同，但是反氫原子的能級(jí)之間的躍遷頻率卻和氫原子的不一樣。這是因?yàn)榉礆湓拥馁|(zhì)心運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)多普勒位移，使得反氫原子的共振頻率發(fā)生變化。這個(gè)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(yīng)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(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的論文所做的工作。這篇論文的作者利用了一種長(zhǎng)脈沖的亞歷山大石激光，來對(duì)自由飛行的反氫原子進(jìn)行激光冷卻。他們選擇了反氫原子的13S-23P躍遷，這是一個(gè)三重態(tài)的躍遷，也就是說反氫原子的正電子和反質(zhì)子的自旋都是向上的。這個(gè)躍遷的波長(zhǎng)是243納米，也就是紫外光的范圍。

他們用這種激光強(qiáng)烈地飽和了這個(gè)躍遷，使得反氫原子在吸收和發(fā)射光子的過程中，受到了一個(gè)與運(yùn)動(dòng)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(yīng)。第一種效應(yīng)是反氫原子在13S態(tài)的數(shù)量增加了，這是因?yàn)榧す獯偈狗礆湓訌膲勖^長(zhǎng)的33P態(tài)躍遷回13S態(tài)。第二種效應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(jìn)一步降低反氫原子的溫度，提高反氫原子的密度，延長(zhǎng)反氫原子的壽命，以及進(jìn)行更精確的反氫原子光譜測(cè)量等實(shí)驗(yàn)，提供了一個(gè)新的途徑。這些實(shí)驗(yàn)都是為了驗(yàn)證反氫原子和氫原子是否完全相同，以及探索反物質(zhì)和物質(zhì)之間的對(duì)稱性和不對(duì)稱性。