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（exoticatoms），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（BubbleChamber）。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）、介子（pion）、介子（muon）、反质子（antiproton）和西格玛超子原子（sigmahyperonatoms）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RandolfPohl和其他人创造了介子氢，其中一个介子代替了电子。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。介子是像电子一样的轻子，具有相同的1电荷和12自旋，并且没有亚结构，因此创造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，物理学家们用介子创造了更多的奇异原子，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介子，并将光束定向到超冷超流氦4上，创造出了介子氦！
　　在1935年发现中子之后，人们预测了像介子这样的介子。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，一个介子仅在26纳秒（一秒的十亿分之一）内衰变为一个介子和一个反中子。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，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，确定介子以及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，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n1516附近高位置的介子寿命更长。
　　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（TheAugereffect）是由被称为原子弹之母的利斯迈特纳（LiseMeitner）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介子落进去。
　　在亚稳态下，由于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。