窺探原子核：物理學新紀元

「在某種程度上，分子就像一個巨大的粒子對撞機，讓我們有更好的機會探測鐳的原子核。」——Silviu-Marian Udrescu

本文將深入探討麻省理工學院（MIT）物理學家開創的一種革命性技術，該技術利用分子作為微型粒子對撞機來研究原子核。通過觀察氟化鐳中電子的能量變化，科學家們能夠推斷原子核的內部結構，從而繞過對大型加速器的需求。這項突破性的方法不僅為核物理研究開闢了新的途徑，而且有望解決宇宙中物質與反物質不平衡等重大謎團。本文旨在向台灣學者與研究生介紹這項研究的關鍵概念、潛在影響以及未來發展方向。

原子核研究的新途徑：分子作為微型粒子對撞機


傳統的原子核研究依賴於大型粒子加速器，這些設備不僅昂貴，而且在實驗設置和數據分析方面都存在諸多挑戰。麻省理工學院的研究團隊另闢蹊徑，他們將分子轉變為微型粒子對撞機，從而提供了一種更經濟、更高效的原子核研究方法。

過去，我們需要像歐洲核子研究組織（CERN）這樣的大型機構才能進行高能物理實驗。現在，我們可以在實驗室的桌面上進行類似的研究。

這種方法的巧妙之處在於利用了分子的內部電場。當將放射性原子（如鐳）嵌入分子中時，其電子所經歷的內部電場比實驗室中可以產生的電場強大得多。這種強大的電場放大了電子與原子核之間的相互作用，使得研究人員能夠更精確地探測原子核的內部結構。

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電子能量的奧秘：原子核的「訊息」

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研究團隊追蹤了分子中鐳原子周圍電子的能量。微小的能量變化表明，電子曾短暫地進入原子核，並與其成分發生相互作用。這些電子隨後攜帶着關於原子核內部特徵的「訊息」，揭示了其結構和性質。

「我們現在有證據表明，我們可以對原子核內部進行採樣。」——Ronald Fernando Garcia Ruiz

然而，測量這些微小的能量變化並非易事。由於氟化鐳的半衰期短且產量小，研究人員需要利用極其靈敏的技術才能獲得可靠的數據。這項挑戰促使他們不斷改進實驗設備和數據分析方法，最終成功地提取了原子核的寶貴信息。

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繪製核磁分佈圖：解開物質與反物質之謎

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這項技術為繪製原子核內部的「磁分佈圖」鋪平了道路。在原子核中，質子和中子就像微小的磁鐵一樣，它們的排列和相互作用決定了原子核的磁性質。通過研究鐳（一種具有不對稱梨形原子核的元素），研究人員希望能夠揭示宇宙中物質與反物質不平衡的謎團。

根據標準模型，宇宙初期應該包含大致等量的物質和反物質。然而，今天的宇宙卻以物質為主。

科學家推測，鐳原子核獨特的梨形結構可能會放大對稱性破壞的信號，使其更容易被觀察到。通過精確測量鐳原子核的磁分佈，研究人員有望找到超出標準模型的物理現象，從而解釋宇宙中物質與反物質不平衡的原因。

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鐳的不對稱原子核：放大對稱性破壞的信號

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與大多數球形原子核不同，鐳的梨形原子核預計會放大對稱性破壞的信號，使其具有潛在的可觀測性。這使得鐳成為研究基本對稱性破壞和解決物質-反物質不對稱問題的首選候選者。

「鐳原子核預計會放大這種對稱性破壞，因為它的原子核在電荷和質量上是不對稱的，這非常不尋常。」——Ronald Fernando Garcia Ruiz

在物理學中，對稱性扮演着至關重要的角色。如果宇宙的基本定律對物質和反物質是對稱的，那麼我們今天就不應該存在。因此，尋找對稱性破壞的跡象是理解宇宙起源和演化的關鍵。

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分子嵌入鐳：一種強大的放大策略

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將鐳原子嵌入分子中可以限制和放大其電子的行為。分子內部的電場遠強於實驗室中可以實現的電場，有效地將分子轉變為一個巨大的粒子對撞機。

「當你把這種放射性原子放在分子內部時，它的電子所經歷的內部電場比我們在實驗室中可以產生和應用的電場大幾個數量級。」——Silviu-Marian Udrescu

這種方法的優勢在於利用了分子的自然特性。分子內部的強大電場可以有效地放大電子與原子核之間的相互作用，使得研究人員能夠更精確地測量原子核的性質。此外，通過選擇合適的分子，研究人員還可以控制鐳原子的環境，從而進一步優化實驗條件。

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未來方向：繪製力和檢驗基本對稱性

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研究團隊計劃改進他們的技術，以繪製原子核內部的力分佈。通過冷卻和控制分子內鐳核的方向，他們旨在精確地繪製內容並尋找基本對稱性的違反。

「含鐳分子預計是尋找自然界基本對稱性違反的異常靈敏系統……我們現在有辦法進行這種搜索。」——Ronald Fernando Garcia Ruiz

未來的實驗將側重於控制分子中鐳核的方向。目前，實驗涉及分子中隨機方向的鐳核。通過精確控制鐳核的方向，研究人員可以更準確地測量原子核內部的力分佈，並尋找基本對稱性破壞的跡象。這些研究有望為我們揭示原子核的更深層次結構，並驗證當前物理學理論的局限性。

關於這項研究的更多細節，可以在麻省理工學院的新聞實驗室網站上搜索 “MIT physicists have found a new way to peer into the heart of an atom” 找到相關資訊。

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Massachusetts Institute of Technology. (2025, October 26). MIT physicists just
found a way to see inside atoms. ScienceDaily. Retrieved October 26, 2025 from
www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251026021734.htm\n—\n Story Source:
Materials provided by Massachusetts Institute of Technology. Original written by Jennifer Chu. Note: Content may be edited for style and length.