走进奇异原子世界，它为何能引发新的物理学，甚至促使能源突破？

自然界中的原子只包含三种亚原子粒子：质子、中子和电子，但物理学家们现在正在利用其他种类的亚原子粒子创造奇异原子（ exotic atoms），以了解它们是如何运作的。

我们倾向于认为原子像不同种类的小球，但它们更像小型机器。每个原子的运作方式都有些不同。为了更好地了解它们是如何运转的，将原子中的某个部分替换掉，看看有什么变化。研究人员已经发现，有时关于原子如何运转的传统模型是错误的。

对奇异原子的间接研究可以追溯到20世纪50年代的早期同步加速器和氦气泡室（Bubble Chamber）。这些实验的测量结果非常不精确，只能确认它们的存在，但逐渐地，方法得到了改进，并导致对各种不能长期存在的原子进行越来越精确的实验。

到目前为止，K介子（kaon）、π介子（pion）、μ介子（muon）、反质子（antiproton）和西格玛超子原子（sigma hyperon atoms）都已经用X射线进行了观测。这种被称为X射线荧光光谱分析技术允许测量原子中的状态转换，但是，激光光谱学的直接合成和检测一直是比较困难的，因为激光光谱学要精确得多。

2010年，德国加兴的马克斯-普朗克量子光学研究所（MPQ）的Randolf Pohl和其他人创造了μ介子氢，其中一个μ介子代替了电子。利用激光，他们能够计算出质子的电荷半径，这对已知值提出了挑战。μ介子是像电子一样的轻子，具有相同的-1电荷和1/2自旋，并且没有亚结构，因此创造μ介子原子并不太困难。

对这些奇异原子的测量使我们能够研究原子物理的许多方面，并以高精度验证标准模型的预测。理解强相互作用是这里的一个主要动机，它开启了我们对相互作用强度、质量、磁矩、原子的核属性、放射性衰变和粒子-核相互作用等基础科学的理解，并在核聚变方面有应用。

最近，物理学家们用π介子创造了更多的奇异原子，π介子是由夸克和反夸克组成的介子。这要困难得多，因为当你向物质发射一束π介子时，会产生大量的新粒子。为了克服这个问题，研究人员从石墨中制造出π介子，并将光束定向到超冷超流氦-4上，创造出了π介子氦！

在1935年发现中子之后，人们预测了像π介子这样的介子。该粒子被预测为比电子质量大200倍。1947年，首次从宇宙射线中探测到带电的π介子，其质量和预测的大致相同。同年，原子物理学的两位巨头费米和泰勒都预测，通过用重的带负电荷的介子取代电子，可以形成奇异原子。

孤立地看，一个π介子仅在26纳秒（一秒的十亿分之一）内衰变为一个μ介子和一个反中子。因此，这使得研究变得非常困难，但与试图用一个π介子制造一个原子时发生的情况相比，这不算什么。在这种情况下，原子会在不到一皮秒（一万亿分之一秒）的时间内衰变，并且π介子被吸收到原子核中。如果在氦原子中放置一个稳定的结构，π介子氦是“亚稳态的”，这意味着它持续的时间更长（10几纳秒）。另一个电子（氦有两个电子和两个质子）使原子保持稳定的时间更长，即使该原子与其他氦原子发生碰撞。

这种较长的寿命使得π介子氦气适合使用亚纳秒级的激光脉冲进行激光光谱分析，这使得科学家们能够窥探这种奇异原子的特性。激光引发了裂变过程，引起了一个电磁级联，使π介子撞向原子核，而裂变的产物：中子、质子和氘核，表明激光击中了一个π介子型氦气原子。

这项技术可以通过与量子电动力学（QED）的理论结果相比较，确定π介子以及μ介子反中微子的精确质量。基于这些测量，新的“第五种”力也可以被限制，从而限制了新的物理学。

这一切都归结于光谱学的魔力，我们用同样的技术来探测遥远的恒星。

光谱学使，甚至科学家能够研究原子在不同频率的光下发生的跃迁。你可以把原子想象成一个小机器，一个原子核在中心，电子围绕着它运行。由于原子是如此之小，电子是离域的（delocalised），这意味着它们以概率云的形式出现在原子周围。量子力学的另一个特征是，电子只能在特定的能量水平上生存。它们可以处于基态，占据最低能级，也可以处于较高能级。有多个电子的原子在每一层只能有一定数量的电子。

原子只有在与电子所能占据的能级相匹配的频率下才能吸收光子。这些频率是原子的光谱的一部分。当正确频率的光照射到原子时，电子会吸收能量并变得活跃。其后，它将衰变回其基态，并以特定频率的光的形式释放能量。不同的元素有不同的吸收光的光谱。这就是我们如何知道恒星是由什么组成的。

下显示了这个过程，光子撞击电子，使它“加速”到下一个水平，就像火箭加速一样。

这张图片很好理解，但却是错误的。真正过程一定比这更神秘。电子云只是吸收了能量并跳到下一级。在不涉及数学的情况下，下面一张更好的图片：

光子导致电子瞬间跳到一个更高的层次。

发射光谱与吸收相反。在这种情况下，一个原子以某种方式被激发，然后以特定频率的光释放能量。这就是激光是如何产生的。

我们用激光光谱学测量的几乎所有东西都涉及普通原子，而不是π介子原子，众所周知，能级是基于对电子的精确测量和理论预测。相比之下，π介子是由夸克组成的，与质子和中子的共享比电子多得多。此外，它们是由夸克和反夸克组成的，所以它们也包含反物质。

激光光谱学研究两个能级，有时被称为电子或π介子的主量子数，用符号n表示，以及角动量子数，用符号l表示。从一个主能级和角动量对(n,l)到另一个的跃迁被观察到在一个特定的光频率激发。占据n= 15-16附近高位置的π介子寿命更长。

寿命为皮秒的原子被称为“俄歇”原子，寿命为10纳秒的原子被称为亚稳态原子。

俄歇效应（The Auger effect）是由被称为原子弹之母的利斯-迈特纳（Lise Meitner）在1922年发现的，指的是当内部空位被填充时从原子中发射电子。从本质上讲，有东西撞击原子导致一个内部电子被射出，另一个电子填补空缺，释放其能量，然后一个外部电子，称为俄歇电子，被射出。

• 维基百科

这个俄歇过程，当应用于π介子时，导致它们迅速下降到原子核中，在那里它们导致原子核发生裂变。这发生在一万亿分之一秒内。然而，在亚稳状态下，这种情况不会发生，它需要数千倍的时间让π介子落进去。

在亚稳态下，由于π介子处于高能轨道上，俄歇效应被大大降低。你可以把这想象成一艘宇宙飞船，处于围绕一个星球的很高的轨道上，需要一段时间才能撞上它。

对π介子原子的研究可能导致对非微扰量子色动力学（QCD）的最严格的测试之一，即π介子和原子核之间通过强力的相互作用。任何差异都可能导致新的物理学诞生。即使是现在，实验也在推动理论计算的边界，并将QCD带到一个全新的验证水平。

这种水平的精确性可以将物理学完全带入新的方向，因为对强核力的理解远不如对电磁学的理解。它甚至可能导致新的、基于强力或弱力基础能源的突破。奇异原子是我们全面了解原子性质的一个关键组成部分。