摧毁原子的一种方法是用地球上最强大的 X 射线枪射击它。琳达·杨 (Linda Young) 在 2009 年 10 月尝试了这项实验，当时她正在测试位于加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室新开放的 X 射线自由电子激光器。这台价值 4.2 亿美元的机器发出的单个脉冲所蕴含的能量，与当时照射到地球上的所有太阳辐射的能量相同，但它被聚焦到了一平方厘米的区域。“它会摧毁你放在它面前的任何东西，”杨说。
当激光脉冲击中实验中的氖原子时，它使它们爆炸，在 100 飞秒（1 飞秒是 10-15 秒）内剥离了每个原子的 10 个电子。但是，这种破坏的方式最让伊利诺伊州阿贡国家实验室 X 射线科学部门负责人杨感兴趣。X 射线首先移除了原子的内部电子，而将外部电子保留在原位。在短暂的瞬间，激光路径中的氖原子变成了空心的。
这种奇特的氖形式是物理学家们有意扭曲原子而创造出的众多奇异物种之一。一些团队已经将原子膨胀到尘埃颗粒的大小。一些研究合作正在用反物质制造反原子。其他一些人则在原子核中加载质子和中子，以寻求锻造新的超重元素。一些实验旨在研究原子结构；另一些则使用原子作为建模更复杂系统的第一步。它们都是丹麦物理学家尼尔斯·玻尔 100 年前引发的原子理论革命的后代。但是，玻尔很难想象科学家们在将原子戳戳刺刺成如此极端的形式方面能走多远。
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空心原子
玻尔在 1913 年 7 月提出的原子看起来像一个微型太阳系，电子以围绕带正电荷的原子核的同心轨道排列。在玻尔模型中，电子是量子化的点状粒子，这意味着它们可以从一个轨道跳到另一个轨道，但不能存在于两者之间。20 世纪 20 年代量子力学的出现保留了轨道的概念，但将电子重新想象为在原子核周围无处不在地扩散。每个电子的位置只能以概率的形式，以数学波函数的形式描述。
离原子核最远的电子可以用最少的额外能量踢出去，所以通常是第一个被剥离的。然而，X 射线具有集中的冲击力，可以从内轨道移除更紧密结合的电子。医用 X 射线只会移除其中一个内部电子，然后外壳的另一个电子会下降以填充该空间。但是 SLAC X 射线激光器本身就是一类。光束非常强烈和聚焦，以至于每个 100 飞秒的脉冲都会使 100,000 个 X 射线光子飞过每个平方埃的空间（1 埃是 10-10 米）。这使得杨能够在她 2009 年的实验中炸掉氖原子的所有内部电子。当来自外壳的电子掉入废弃的内壳时，光束很快也把它们踢了出去。
“如果你适当地调整 X 射线，你可以选择你想先清空哪个壳，”杨说。“能够控制内壳动力学非常酷。”这种原子空心化的当前记录是去年 11 月由德国汉堡自由电子激光科学中心的团队报告的，他们使用 SLAC 激光器从内到外剥离了 54 电子氙原子的 36 个内部电子。
杨希望对空心原子的研究在激光器准备好用于其预期用途之一时能证明有帮助——通过将 X 射线从生物分子（如 DNA 和蛋白质）的原子上散射来创建生物分子的图像。这些图片是有代价的：光束会很快摧毁它正在成像的分子。杨说，了解在此过程中空心原子如何形成可能有助于研究人员解释当分子爆炸时散射模式如何变化。
二十年前，几个研究小组使用不同的方法制造了空心原子：首先从原子中剥离几乎所有的电子，然后将由此产生的高电荷、慢速移动的离子沉积到表面上。当离子距离表面几十埃时，它们会从表面吸引电子，从而形成暂时的空心原子，外壳有电子，但内壳没有。然后，这些外电子向内坠落，空心原子会喷发出一阵高能电子和光子。“空心原子只不过是大量能量的火球，”维也纳技术大学物理学家约阿希姆·布格德费尔说，他致力于开发该过程的理论。
几个研究小组在 20 世纪 80 年代末和 90 年代追求空心原子，一些科学家探索了它们形成的光子爆发如何通过移除最顶层而不造成更深层的损坏来清洁表面。维也纳技术大学的物理学家弗里茨·奥梅尔 (Fritz Aumayr) 说，尽管该程序已获得专利，但尚未引起业界的关注。到目前为止，它最接近的应用是在 2008 年，当时研究人员援引该过程来解释来自太阳的重离子如何损坏水星等行星的表面。离子在落在行星上时会变成空心原子，并在着陆时释放能量爆发。
今年，奥梅尔发表了一篇论文，表明从落在碳膜上的离子释放的能量可以产生纳米级的孔，其大小由离子的电荷强度控制（即它丢失了多少电子）。他说，这可能是制造用于过滤小分子的纳米筛或制造用于让 DNA 通过进行测序的纳米孔的有用途径。
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巨型原子
从原子核的角度来看，所有电子都是远距离的旅行者。原子核的直径以飞米为单位测量，而束缚电子通常会从原子核核心移动 100,000 个原子核直径远。但是，里德堡原子是原子世界中的庞然大物，它们的外层电子充满了能量，以至于它们可以从原子核移动 1000 亿个原子核直径——数十或数百微米。最大的里德堡原子甚至接近本句话末尾句号的大小。
这些巨型原子以 19 世纪瑞典物理学家约翰内斯·里德堡的名字命名，自 20 世纪 70 年代以来，随着可以将电子激发到如此遥远距离的激光的引入，对它们进行了广泛的研究。像任何远行者一样，里德堡系统中的外电子可能是孤独而脆弱的。对遥远核心的吸引力是微弱的，很容易受到杂散电磁场或碰撞的干扰，因此必须在高真空条件下产生原子。如果与外界力量仔细隔离，这些膨胀的原子可以保持从百分之几秒到数秒的任何时间。
对于德克萨斯州休斯顿莱斯大学的物理学家巴里·邓宁来说，里德堡原子的乐趣在于它们使物理学家能够精确控制电子的运动。这对于普通原子是不可能的，因为电子移动得太快，即使是最快的激光器也无法做到。但是里德堡原子中膨胀的电子的运动要慢得多：它可以通过精心引导的纳秒电场脉冲来控制，这使研究人员可以通过来回敲击电子云来控制它。
2008 年，邓宁领导的研究人员报告说，他们已经设法将通常散布的电子挤压成一个紧密的包，该包短暂地围绕原子核运行。去年，他们添加了无线电波，使这种运动能够无限期地保持下去。“这只花了一个世纪，但我们重新创造了玻尔的原子，”邓宁自豪地说。他的下一个想法是尝试一次激发和控制两个外电子，创建一个类似于玻尔可能描绘的氦气的系统。
这种原子拉伸具有一些潜在的应用。两个相距几微米的气态原子通常不会相互影响。但是，将其中一个（或两个）膨胀到里德堡状态，带负电的电子云开始相互排斥，从而扭曲了原子的能级，使其不再是孤立的系统。威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家马克·萨夫曼 (Mark Saffman) 利用此特性制造了一个量子逻辑门——量子计算机的基本组成部分——使用激光器开启两个原子量子比特或量子比特之间的里德堡相互作用。
他和另一位研究人员希望接下来添加更多原子。英国杜伦大学的物理学家马修·琼斯说，如果适当地激发，一团冷气态原子可能会产生一种悬停的里德堡相互作用的晶体阵列。
这种方法可能被证明是研究“强相关”固态系统物理的有用模型。这些系统（如高温超导体）中出现不寻常的特性，是因为粒子与其邻居强烈相互作用。里德堡原子阵列对于真实固态系统中混乱的相互作用来说不是一个完美的模型，但该方法的简单性是一个优势，布格德费尔说。“这是探索许多关于强相关物理如何实际工作的想法的绝佳试验场，”他说。
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反物质原子
位于瑞士日内瓦附近欧洲粒子物理实验室 CERN 的大型强子对撞机目前处于碎片状态，工程师们正在努力提高其功率。与此同时，在一个侧厅里，正在对一项实验进行升级，该实验可能使物理学家能够测量反物质原子的性质。
自 1995 年在 CERN 制造出第一个反氢原子以来，研究人员一直在追求这个目标。反氢原子由反质子和正电子组成，它们分别与普通质子和电子具有相同的质量，但电荷相反。除此之外，研究人员对反氢知之甚少。“物质和反物质原子是否遵循相同的物理定律？” ALPHA 发言人杰弗里·汉斯特问道，ALPHA 是制造和分析反氢的合作项目之一。
CERN 的实验也可能有助于解释为什么可见宇宙中物质多于反物质。大爆炸本应产生等量的两者，并在接触时湮灭。但是不知何故，物质获得了优势。人们已经观察到一些物质和反物质粒子（如卡子和介子）的行为之间存在差异，但是这些差异太小，无法解释大爆炸之谜。
为了制造反氢原子，CERN 的研究人员首先通过用加速质子轰击原子来制造反质子，然后通过金属箔传递来减慢它们的速度，用冷电子冷却它们并用电磁场捕获它们。类似的陷阱会积聚放射性材料释放的正电子。当带电粒子的云混合时，它们会产生中性反物质原子。但是由于这些原子没有总电荷，因此在早期实验中，它们很容易逃脱用于捕获带电反物质粒子的电磁场。
到2002年，两个合作研究小组已经能够制造多达 50,000 个反氢原子，但这些原子很快就在容器壁上湮灭了。直到 2010 年，ALPHA 的研究人员才展示了如何利用三个磁体，其组合磁场足以约束反氢（具有微小的磁矩）来捕获反氢原子。当时，反物质仅被保持了 170 毫秒，而且每次研究小组运行 20-30 分钟的实验，大约只能捕获一个原子，Hangst 说。但该团队已经改进了设备，现在每次实验可以捕获一个原子，并将其保持约 1000 秒。
ALPHA 现在正试图探测反原子的特性。今年，该团队报告说，他们观察了数百个反氢原子从磁笼中释放后的轨迹，以测试反物质在重力作用下是向上还是向下坠落。Hangst 说，研究人员目前还没有答案，但这项实验在原理上是可行的。在升级过程中，该团队正在引入一些激光器，计划明年测试反氢是否会像氢一样在相同的频率吸收和发射光。
欧洲核子研究中心的其他团队正在研究反物质的不同方面，例如反氢如何响应变化的磁场。其他地方的研究人员正在研究更奇异的原子：东京大学的物理学家早野龙五领导的一个团队正在研究混合物质-反物质原子，例如反质子氦，其中氦核被一个电子和一个带负电的反质子包围，这种排列持续几微秒。
最终，这些实验可能无法发现物质和反物质之间存在足够大的差异，来解释为什么前者会战胜后者。但是，Hangst 说：“永远不知道新的物理学会在哪里出现。你只需不断寻找。”
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重原子
与追逐超重原子的研究人员相比，研究反原子的研究人员拥有大量的数据。在需要极大耐心的实验中，德国达姆施塔特 GSI 亥姆霍兹重离子研究中心的科学家们去年花费了近五个月的时间，以每秒约 5 万亿个粒子的速度，将钛-50 离子（每个离子有 22 个质子和 28 个中子）射向锫-249 靶。他们希望，只有一两次，两个原子会融合形成一个具有 119 个质子的元素，比之前创造的任何元素都多。
在过去的 70 年里，将重原子束碰撞在一起，对物理学家来说效果很好，使他们能够创造出越来越重的质子和中子团块，并将元素周期表扩展到远超出最重的天然元素。已确认的纪录保持者是 116 号元素，鉝，具有 116 个质子，根据同位素的不同，还有 174 到 177 个中子。
也有关于 117 和 118 号元素的说法，但这些尚未得到官方确认。GSI 领导的合作项目的发言人 Christoph Düllmann 说，到目前为止，“目前的实验都没有报告发现 119 或 120 号元素”，但他补充说，他自己的团队对去年工作的分析尚未完全完成。
人们强烈地感觉到这项探索正在走向死胡同。随着原子核变得越来越重，原子核融合的可能性会降低，因为质子和中子会抵抗结合在一起。大多数研究人员都认为，超过 120 号元素后，直接让两个原子核融合的可能性会变得非常小。Düllmann 说：“所以这就给我们留下了一个问题，接下来我们该做什么？”
要回答这个问题，就需要理解是什么驱动着人们进行超重元素的探索。好奇心和民族自豪感无疑起着一定的作用，政客和科学家都希望将自己国家的名字印在元素周期表的新格子上。但每种超重元素的寿命都非常短暂，会在几毫秒内分裂。
理论家们认为，某些质子和中子的超重组合将在几秒、几分钟甚至几天内保持稳定。人们认为，这个传说中的“稳定岛”存在于 114 到 126 个质子，以及大约 184 个中子之间。现在很清楚，任何试图通过将轻粒子撞击较重粒子来制造新的超重元素的尝试都无法到达这个岛屿：喷射出来的同位素的中子太少。因此，研究人员正在改变策略，尝试制造已经创造出来的元素的较重同位素。
这就是科学家们明年将在俄罗斯杜布纳核研究所尝试的。他们计划通过将钙-48 束射向放射性锎-251 来制造 118 号元素的富含中子的同位素。
俄罗斯团队和其他团队也想回到已经制造出的元素，创造数百或数千个原子，而不是声称发现元素所必需的少数几个原子。“我们应该为自己设定目标，不是制造一个或两个原子，而是制造宏观数量的原子，以便我们可以更详细地研究化学和核结构，”英国利物浦大学的物理学家 Rolf-Dietmar Herzberg 说。这可能使理论家能够更准确地预测稳定岛的位置。
但扩展元素周期表的诱惑是强大的。研究人员可能会放弃正面碰撞，而是尝试以掠射的方式将两个重核撞击在一起，这可能更有机会成功融合它们来创造新元素。
物理学家在创造越来越重的原子的探索过程中，总会让自己感到惊讶。GSI 团队成员 Michael Block 说，在 1990 年代初期，没有人认为他们可以超过 112 号元素，然后对融合过程进行调整使其成为可能。“下一个元素总是最难的。”