一個帶正電的質子，加一個帶負電的電子，氫原子是世界上最簡單的原子。現代物理學上許多最精妙的理論，卻借這種原子顯現，堪稱大道至簡。

1947年，在紐約州長島東段的謝爾特小島上，一場歷史性的學術會議召開，主題是量子力學與電子問題。美國物理學家威利斯?尤金?蘭姆（Willis Eugene Lamb）報告了他在氫原子光譜精細結構中的一個發現。

原來，根據狄拉克方程計算，氫原子的2S（1/2）和2P（1/2）能級相同，可以簡并。然而，蘭姆和同事用新興的微波技術探測后發現，這兩個能級其實并不吻合，而是存在一個小小小小的能級差。

就是從這個小小小小的豁口里，人類迄今為止最精確的理論——量子電動力學破殼而出。這個能級差后來被命名為“蘭姆位移”，蘭姆本人也憑此獲得了1955年的諾貝爾獎。

蘭姆在黑板上書寫氫的狄拉克方程與蘭姆位移

2020年2月20日凌晨，發表在頂級學術期刊、英國《自然》雜志上的一篇論文顯示，歐洲核子中心（CERN）的研究團隊在氫原子的反物質——反氫原子上同樣觀測到了蘭姆位移。

雖然這次測量出的數值與理論的吻合程度只有11%，但也足以彰顯出自然的根本對稱性。另一方面，它也加深了人類的疑惑：既然物質與反物質性質如此對稱，為何宇宙卻由正物質主導？

對稱與不對稱

有意思的是，從狄拉克方程到量子電動力學的演化，本身就與反物質息息相關。

狄拉克方程是量子力學與狹義相對論的首次融合，用量子化的觀念來描述原子的不同能級，由此，人們可以計算出氫原子的精細能譜。

狄拉克方程也首次預言了正電子的存在，它與電子的電量相當而電荷相反。所有的負能級被無數正負電子對填滿，我們的世界漂浮其上，這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

不過，正如蘭姆位移所昭示的，狄拉克的理論存在缺陷。他把正電子視作狄拉克之海中的空洞，而非真實存在的粒子。

只有量子場論把真空的概念也量子化之后，反物質的概念才得以進一步完善。在微觀世界里，無數對正反粒子憑空誕生，又瞬間相遇湮滅，形成不斷的量子漲落。

不過，宇宙中可能有某種我們未知的擾動，導致正反物質并未對稱地產生、湮滅，而是留下了更多的正物質，構成了我們所知的世界。

量產研究反物質

不出意外，做出此次反氫原子蘭姆位移實驗的是世界高能物理重鎮歐洲核子中心。畢竟，要研究反物質，首先就得有“量產”反物質的能力。

從反電子的概念類推，反氫原子由一個帶負電荷的反質子和一個帶正電荷的正電子組成。

電子與正電子

一個名為反質子減速器將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實驗組中。正電子則由一個鈉放射源提供。

據《自然》上隨論文附的“新聞與觀點”文章，每隔幾分鐘，就有9萬個反質子和300萬個正電子在復雜的帶電粒子陷阱中混合，產生約20個冷卻的反氫原子。在超導磁鐵制成的中性粒子陷阱中。它們可以保存至少60小時。

如前所述，人類對氫原子微觀結構的探測走向精細化的歷程，推動了原子理論的進化。1880年代，人類首次高精度地測量出氫原子的光學譜。蘭姆位移則是用射頻波譜完成的。如今，能量更高的激光光譜成為了主流的探測工具。

ALPHA實驗團隊將激光脈沖注入困住反氫原子的陷阱，導致反氫原子從基礎的1S狀態激發到2P1/2或2P3/2能級，然后衰減回1S狀態。

歐洲核子中心用陷阱困住反氫原子

這些反氫原子隨后與壁上的正常原子接觸湮滅，產生帶電的π介子。它們的數量能夠描述出激光頻率函數。

最后，研究人員利用這些函數的峰值位置推算出了1S和2P（1/2）、1S和2P（3/2）之間的能級差。結果與普通氫原子的蘭姆位移較好地吻合。

看起來，正反物質又增加了一處對稱。

那么，世界上的物質為何遠遠多于反物質？這種巨大的不對稱性從何而來？這個研究并沒有解答這個終極謎題，反而加深了懸念。不過，它起碼為后繼的解題者提供了限制條件，排除了一些錯誤方向。