宇宙中的每一个原子，都不一样吗？
环球科学约 3 分钟图片来源：pixabay
撰文 K.R.卡拉韦（K. R. Callaway）
物理学中有一个基本假设，宇宙中的每个原子并不是独一无二的：只要质子、中子和电子的数量相同，不同原子的外观和行为就会完全一致，彼此不可区分。这一观念构成了我们理解物理学和物质的基础，也为依赖系统可预测性的领域（如量子计算）奠定了前提。然而，原子的全同性（indistinguishability，即不可区分性）至今仍只是一个假设。如今，科学家正计划通过实验检验这一假设。
在近期发表于《物理快报B》（Physics Letters B）的一篇论文中，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家马克·雷曾（Mark Raizen）提出了一系列实验方案，以此探究那些看似相同的原子间是否存在潜在差异。
美国科罗拉多州立大学的物理学家克里斯蒂安·桑纳（Christian Sanner，未参与这项研究）表示，如果原子是可以区分的，那么观察两个同类原子就像在看两辆同品牌同型号的汽车。它们刚下生产线时，看起来或许毫无二致。但如果你凑近观察，精确测量螺栓的紧固程度，以及车门与车架之间的微小间隙，那些细微的差别就会逐渐显现出来。
为了实现对原子的超高精度测量，雷曾提议在一台极其精确的原子钟内，利用激光冷却并捕获同一种同位素（同一元素的变体）的单个原子。借助这套装置，研究人员可以探测到每个粒子内部核自旋产生的磁矩，及其形成磁场的细微变化，从而捕捉到同类原子个体之间能级的微小差异。
这项实验建立在雷曾数十年研究的基础上。他在美国标准与技术研究院（NIST）担任博士后研究员时，曾协助开发了一种技术，能在原子钟内冷却并捕获离子，使这些粒子排列得像项链上的珍珠一样。
随后的研究中，他曾专注于开发如何操控这些被捕获的粒子，并由此研发出更高效的同位素分离技术——同位素分离是许多放射性癌症治疗与影像诊断的重要步骤，也是他此次检验原子可区分性计划的关键部分。雷曾感慨道：“这确实为我三十多年前开始的研究画上了一个圆满的句号。之前我从没想过会重拾这些研究，现在能把它们整合起来，真的让人既欣慰又激动。”
即便不完全相信原子具有唯一性，科学家也一致认为，对广泛接受的假设进行实验检验，是科学进程中不可或缺的一环。
文章来自《环球科学》2026年6月刊“前沿栏目”
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