摧毀原子的一種方法是用地球上最強大的 X 射線槍射擊它。琳達·楊 (Linda Young) 在 2009 年 10 月嘗試了這項實驗，當時她正在測試位於加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室新開放的 X 射線自由電子雷射器。這臺價值 4.2 億美元的機器發出的單個脈衝所蘊含的能量，與當時照射到地球上的所有太陽輻射的能量相同，但它被聚焦到了一平方釐米的區域。“它會摧毀你放在它面前的任何東西，”楊說。
當雷射脈衝擊中實驗中的氖原子時，它使它們爆炸，在 100 飛秒（1 飛秒是 10-15 秒）內剝離了每個原子的 10 個電子。但是，這種破壞的方式最讓伊利諾伊州阿貢國家實驗室 X 射線科學部門負責人楊感興趣。X 射線首先移除了原子的內部電子，而將外部電子保留在原位。在短暫的瞬間，雷射路徑中的氖原子變成了空心的。
這種奇特的氖形式是物理學家們有意扭曲原子而創造出的眾多奇異物種之一。一些團隊已經將原子膨脹到塵埃顆粒的大小。一些研究合作正在用反物質製造反原子。其他一些人則在原子核中載入質子和中子，以尋求鍛造新的超重元素。一些實驗旨在研究原子結構；另一些則使用原子作為建模更復雜系統的第一步。它們都是丹麥物理學家尼爾斯·玻爾 100 年前引發的原子理論革命的後代。但是，玻爾很難想象科學家們在將原子戳戳刺刺成如此極端的形式方面能走多遠。
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圖片：Thomas Porostocky
空心原子
玻爾在 1913 年 7 月提出的原子看起來像一個微型太陽系，電子以圍繞帶正電荷的原子核的同心軌道排列。在玻爾模型中，電子是量子化的點狀粒子，這意味著它們可以從一個軌道跳到另一個軌道，但不能存在於兩者之間。20 世紀 20 年代量子力學的出現保留了軌道的概念，但將電子重新想象為在原子核周圍無處不在地擴散。每個電子的位置只能以機率的形式，以數學波函式的形式描述。
離原子核最遠的電子可以用最少的額外能量踢出去，所以通常是第一個被剝離的。然而，X 射線具有集中的衝擊力，可以從內軌道移除更緊密結合的電子。醫用 X 射線只會移除其中一個內部電子，然後外殼的另一個電子會下降以填充該空間。但是 SLAC X 射線雷射器本身就是一類。光束非常強烈和聚焦，以至於每個 100 飛秒的脈衝都會使 100,000 個 X 射線光子飛過每個平方埃的空間（1 埃是 10-10 米）。這使得楊能夠在她 2009 年的實驗中炸掉氖原子的所有內部電子。當來自外殼的電子掉入廢棄的內殼時，光束很快也把它們踢了出去。
“如果你適當地調整 X 射線，你可以選擇你想先清空哪個殼，”楊說。“能夠控制內殼動力學非常酷。”這種原子空心化的當前記錄是去年 11 月由德國漢堡自由電子雷射科學中心的團隊報告的，他們使用 SLAC 雷射器從內到外剝離了 54 電子氙原子的 36 個內部電子。
楊希望對空心原子的研究在雷射器準備好用於其預期用途之一時能證明有幫助——透過將 X 射線從生物分子（如 DNA 和蛋白質）的原子上散射來建立生物分子的影像。這些圖片是有代價的：光束會很快摧毀它正在成像的分子。楊說，瞭解在此過程中空心原子如何形成可能有助於研究人員解釋當分子爆炸時散射模式如何變化。
二十年前，幾個研究小組使用不同的方法制造了空心原子：首先從原子中剝離幾乎所有的電子，然後將由此產生的高電荷、慢速移動的離子沉積到表面上。當離子距離表面幾十埃時，它們會從表面吸引電子，從而形成暫時的空心原子，外殼有電子，但內殼沒有。然後，這些外電子向內墜落，空心原子會噴發出一陣高能電子和光子。“空心原子只不過是大量能量的火球，”維也納技術大學物理學家約阿希姆·布格德費爾說，他致力於開發該過程的理論。
幾個研究小組在 20 世紀 80 年代末和 90 年代追求空心原子，一些科學家探索了它們形成的光子爆發如何透過移除最頂層而不造成更深層的損壞來清潔表面。維也納技術大學的物理學家弗裡茨·奧梅爾 (Fritz Aumayr) 說，儘管該程式已獲得專利，但尚未引起業界的關注。到目前為止，它最接近的應用是在 2008 年，當時研究人員援引該過程來解釋來自太陽的重離子如何損壞水星等行星的表面。離子在落在行星上時會變成空心原子，並在著陸時釋放能量爆發。
今年，奧梅爾發表了一篇論文，表明從落在碳膜上的離子釋放的能量可以產生奈米級的孔，其大小由離子的電荷強度控制（即它丟失了多少電子）。他說，這可能是製造用於過濾小分子的奈米篩或製造用於讓 DNA 透過進行測序的奈米孔的有用途徑。
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巨型原子
從原子核的角度來看，所有電子都是遠距離的旅行者。原子核的直徑以飛米為單位測量，而束縛電子通常會從原子核核心移動 100,000 個原子核直徑遠。但是，裡德堡原子是原子世界中的龐然大物，它們的外層電子充滿了能量，以至於它們可以從原子核移動 1000 億個原子核直徑——數十或數百微米。最大的裡德堡原子甚至接近本句話末尾句號的大小。
這些巨型原子以 19 世紀瑞典物理學家約翰內斯·裡德堡的名字命名，自 20 世紀 70 年代以來，隨著可以將電子激發到如此遙遠距離的雷射的引入，對它們進行了廣泛的研究。像任何遠行者一樣，裡德堡系統中的外電子可能是孤獨而脆弱的。對遙遠核心的吸引力是微弱的，很容易受到雜散電磁場或碰撞的干擾，因此必須在高真空條件下產生原子。如果與外界力量仔細隔離，這些膨脹的原子可以保持從百分之幾秒到數秒的任何時間。
對於德克薩斯州休斯頓萊斯大學的物理學家巴里·鄧寧來說，裡德堡原子的樂趣在於它們使物理學家能夠精確控制電子的運動。這對於普通原子是不可能的，因為電子移動得太快，即使是最快的雷射器也無法做到。但是裡德堡原子中膨脹的電子的運動要慢得多：它可以透過精心引導的納秒電場脈衝來控制，這使研究人員可以透過來回敲擊電子雲來控制它。
2008 年，鄧寧領導的研究人員報告說，他們已經設法將通常散佈的電子擠壓成一個緊密的包，該包短暫地圍繞原子核執行。去年，他們添加了無線電波，使這種運動能夠無限期地保持下去。“這隻花了一個世紀，但我們重新創造了玻爾的原子，”鄧寧自豪地說。他的下一個想法是嘗試一次激發和控制兩個外電子，建立一個類似於玻爾可能描繪的氦氣的系統。
這種原子拉伸具有一些潛在的應用。兩個相距幾微米的氣態原子通常不會相互影響。但是，將其中一個（或兩個）膨脹到裡德堡狀態，帶負電的電子雲開始相互排斥，從而扭曲了原子的能級，使其不再是孤立的系統。威斯康星大學麥迪遜分校的物理學家馬克·薩夫曼 (Mark Saffman) 利用此特性製造了一個量子邏輯閘——量子計算機的基本組成部分——使用雷射器開啟兩個原子量子位元或量子位元之間的裡德堡相互作用。
他和另一位研究人員希望接下來新增更多原子。英國杜倫大學的物理學家馬修·瓊斯說，如果適當地激發，一團冷氣態原子可能會產生一種懸停的裡德堡相互作用的晶體陣列。
這種方法可能被證明是研究“強相關”固態系統物理的有用模型。這些系統（如高溫超導體）中出現不尋常的特性，是因為粒子與其鄰居強烈相互作用。裡德堡原子陣列對於真實固態系統中混亂的相互作用來說不是一個完美的模型，但該方法的簡單性是一個優勢，布格德費爾說。“這是探索許多關於強相關物理如何實際工作的想法的絕佳試驗場，”他說。
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反物質原子
位於瑞士日內瓦附近歐洲粒子物理實驗室 CERN 的大型強子對撞機目前處於碎片狀態，工程師們正在努力提高其功率。與此同時，在一個側廳裡，正在對一項實驗進行升級，該實驗可能使物理學家能夠測量反物質原子的性質。
自 1995 年在 CERN 製造出第一個反氫原子以來，研究人員一直在追求這個目標。反氫原子由反質子和正電子組成，它們分別與普通質子和電子具有相同的質量，但電荷相反。除此之外，研究人員對反氫知之甚少。“物質和反物質原子是否遵循相同的物理定律？” ALPHA 發言人傑弗裡·漢斯特問道，ALPHA 是製造和分析反氫的合作專案之一。
CERN 的實驗也可能有助於解釋為什麼可見宇宙中物質多於反物質。大爆炸本應產生等量的兩者，並在接觸時湮滅。但是不知何故，物質獲得了優勢。人們已經觀察到一些物質和反物質粒子（如卡子和介子）的行為之間存在差異，但是這些差異太小，無法解釋大爆炸之謎。
為了製造反氫原子，CERN 的研究人員首先透過用加速質子轟擊原子來製造反質子，然後透過金屬箔傳遞來減慢它們的速度，用冷電子冷卻它們並用電磁場捕獲它們。類似的陷阱會積聚放射性材料釋放的正電子。當帶電粒子的雲混合時，它們會產生中性反物質原子。但是由於這些原子沒有總電荷，因此在早期實驗中，它們很容易逃脫用於捕獲帶電反物質粒子的電磁場。
到2002年，兩個合作研究小組已經能夠製造多達 50,000 個反氫原子，但這些原子很快就在容器壁上湮滅了。直到 2010 年，ALPHA 的研究人員才展示瞭如何利用三個磁體，其組合磁場足以約束反氫（具有微小的磁矩）來捕獲反氫原子。當時，反物質僅被保持了 170 毫秒，而且每次研究小組執行 20-30 分鐘的實驗，大約只能捕獲一個原子，Hangst 說。但該團隊已經改進了裝置，現在每次實驗可以捕獲一個原子，並將其保持約 1000 秒。
ALPHA 現在正試圖探測反原子的特性。今年，該團隊報告說，他們觀察了數百個反氫原子從磁籠中釋放後的軌跡，以測試反物質在重力作用下是向上還是向下墜落。Hangst 說，研究人員目前還沒有答案，但這項實驗在原理上是可行的。在升級過程中，該團隊正在引入一些雷射器，計劃明年測試反氫是否會像氫一樣在相同的頻率吸收和發射光。
歐洲核子研究中心的其他團隊正在研究反物質的不同方面，例如反氫如何響應變化的磁場。其他地方的研究人員正在研究更奇異的原子：東京大學的物理學家早野龍五領導的一個團隊正在研究混合物質-反物質原子，例如反質子氦，其中氦核被一個電子和一個帶負電的反質子包圍，這種排列持續幾微秒。
最終，這些實驗可能無法發現物質和反物質之間存在足夠大的差異，來解釋為什麼前者會戰勝後者。但是，Hangst 說：“永遠不知道新的物理學會在哪裡出現。你只需不斷尋找。”
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重原子
與追逐超重原子的研究人員相比，研究反原子的研究人員擁有大量的資料。在需要極大耐心的實驗中，德國達姆施塔特 GSI 亥姆霍茲重離子研究中心的科學家們去年花費了近五個月的時間，以每秒約 5 萬億個粒子的速度，將鈦-50 離子（每個離子有 22 個質子和 28 箇中子）射向鉳-249 靶。他們希望，只有一兩次，兩個原子會融合形成一個具有 119 個質子的元素，比之前創造的任何元素都多。
在過去的 70 年裡，將重原子束碰撞在一起，對物理學家來說效果很好，使他們能夠創造出越來越重的質子和中子團塊，並將元素週期表擴充套件到遠超出最重的天然元素。已確認的紀錄保持者是 116 號元素，鉝，具有 116 個質子，根據同位素的不同，還有 174 到 177 箇中子。
也有關於 117 和 118 號元素的說法，但這些尚未得到官方確認。GSI 領導的合作專案的發言人 Christoph Düllmann 說，到目前為止，“目前的實驗都沒有報告發現 119 或 120 號元素”，但他補充說，他自己的團隊對去年工作的分析尚未完全完成。
人們強烈地感覺到這項探索正在走向死衚衕。隨著原子核變得越來越重，原子核融合的可能性會降低，因為質子和中子會抵抗結合在一起。大多數研究人員都認為，超過 120 號元素後，直接讓兩個原子核融合的可能性會變得非常小。Düllmann 說：“所以這就給我們留下了一個問題，接下來我們該做什麼？”
要回答這個問題，就需要理解是什麼驅動著人們進行超重元素的探索。好奇心和民族自豪感無疑起著一定的作用，政客和科學家都希望將自己國家的名字印在元素週期表的新格子上。但每種超重元素的壽命都非常短暫，會在幾毫秒內分裂。
理論家們認為，某些質子和中子的超重組合將在幾秒、幾分鐘甚至幾天內保持穩定。人們認為，這個傳說中的“穩定島”存在於 114 到 126 個質子，以及大約 184 箇中子之間。現在很清楚，任何試圖透過將輕粒子撞擊較重粒子來製造新的超重元素的嘗試都無法到達這個島嶼：噴射出來的同位素的中子太少。因此，研究人員正在改變策略，嘗試製造已經創造出來的元素的較重同位素。
這就是科學家們明年將在俄羅斯杜布納核研究所嘗試的。他們計劃透過將鈣-48 束射向放射性鉲-251 來製造 118 號元素的富含中子的同位素。
俄羅斯團隊和其他團隊也想回到已經制造出的元素，創造數百或數千個原子，而不是聲稱發現元素所必需的少數幾個原子。“我們應該為自己設定目標，不是製造一個或兩個原子，而是製造宏觀數量的原子，以便我們可以更詳細地研究化學和核結構，”英國利物浦大學的物理學家 Rolf-Dietmar Herzberg 說。這可能使理論家能夠更準確地預測穩定島的位置。
但擴充套件元素週期表的誘惑是強大的。研究人員可能會放棄正面碰撞，而是嘗試以掠射的方式將兩個重核撞擊在一起，這可能更有機會成功融合它們來創造新元素。
物理學家在創造越來越重的原子的探索過程中，總會讓自己感到驚訝。GSI 團隊成員 Michael Block 說，在 1990 年代初期，沒有人認為他們可以超過 112 號元素，然後對融合過程進行調整使其成為可能。“下一個元素總是最難的。”