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如何把光转变为物质?

中国物理学会期刊网 今天

以下文章来源于新发现杂志 ,作者Román Ikonicof

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据爱因斯坦的著名方程E=mc^2,能量即物质。遗憾的是,物理学家一直以来未能观察到能量向物质的转换。如今,一场实验即将创造历史!

把光转化成物质,这是科幻小说里常见的创造物质的方式,当然在现实中,物理学家仍无法实现这个愿望。

不过,这个梦想应该离我们不太遥远了,因为一个核物理专家小组设计了一个终极转化实验。理论上,把光转化成物质已经成为可能。

如何实现?让两个光子在真空中互相碰撞,这样就可以用纯粹的能量创造出物质。

这一梦想,物理学家已追逐了80年。

“这是光与物质相互作用的量子理论中,唯一未能在实验中证实的基本过程。”实验设计师、德国马普核物理研究所的费利克斯·马肯罗特(Felix Mackenroth)解释道。

事实上,美国著名物理学家乔治·布雷特(Gregory Breit)和约翰·惠勒(John Wheeler)早在1934年便首次描述了这个现象,但它随后便一直处于有待实验验证的状态。

爱因斯坦1905年提出著名方程E=mc^2,明确指出质量和能量之间的等价关系,可用于计算核裂变所释放的能量,非常有用;而量子物理则描述了物质粒子和光子间的各种相互作用,如:导体与光子碰撞会释放出电子,物质粒子与反物质粒子湮灭产生光,光子靠近原子核转变成物质粒子……


问题出在质能方程

物理学家会对这些理论描述逐一进行实验验证。一切都相对顺利,直到他们遭遇布雷特-惠勒过程(Breit-Wheeler process),该过程描述了光子如何在真空中碰撞,从而创造出物质。


布雷特-惠勒过程

在所有的基本相互作用中,只有这个相互作用迟迟未能在实验室中被直接观测到。事实上,就连布雷特和惠勒本人都对此抱有怀疑。

原因就在于E=mc^2。

爱因斯坦的质能方程是一切问题的根源,它指出,一个质量为m的物质相当于一个能量为E的纯能量体,即能量为E的光子,两者自然能够自由转化。

只是,如果把能量E转化成有质量的物质,那么其质量为E除以c^2,c^2就是光在真空中传播速度的平方(9×10^16米2/秒^2)。

“c^2是一个非常大的数,”在伦敦帝国学院开展此项研究的奥利弗·派克(Oliver Pike)强调,“这就是为什么哪怕制造一丁点儿物质都需要极其巨大的能量。”

在从m转变到E的过程中,这个庞大的系数体现出巨大的优势,它使得物质可以在一定条件下自发转变成光:1千克物质释放的能量相当于2200万吨TNT当量。然而,若要进行逆向操作,也就是让能量转变成物质时,这个系数就成为一道难以逾越的屏障。


一个简单的金质圆柱体

难以逾越?那是因为没有使用环空器。

在核物理中用于把能量聚集起来、可引发融合聚变反应的环空器是一个金质圆柱形装置,中央有一个直径为数毫米的小孔(本实验的小孔直径为5毫米),以便让物质粒子和光子通过。

而奥利弗·派克团队的妙策在于,改变这一设备的用途,把它当作一个真空炉,迫使光子在其中彼此靠近,直至创造出物质。

“这个想法源自一次有关环空器潜在应用的头脑风暴,”奥利弗·派克回忆道,“当时我们惊讶地发现,环空器能提供令光子对撞的理想环境。”

据研究人员计算,把能量极高的光子(伽马光子)放进环空器,使它们与用超大功率激光加热产生的能量较低的光子两两相撞,即可在环空器的另一端生成正负电子对,也就是物质。

在该实验中,环空器同时扮演着两个角色。

一方面,它把入射的伽马光子限制在一个有限的空间中,增加了光子碰撞的概率;另一方面,这种技术可以制造出能量足够高的热辐射光子。”伦敦帝国学院研究小组的史蒂文·罗斯(Steven Rose)解释道,“互相碰撞的两个能量的总和因此将达到正负电子对质量与c^2的乘积。”

由此,一个简单小巧的金属腔体便能完成迄今只有宇宙在大爆炸后数秒、光能四射时创造过的奇迹。核物理学家也因此可以比粒子物理专家抢先一步观察到量子理论中最后一个未被实验证实的基本相互作用。


可靠的实验方法

伦敦帝国学院的研究人员并不满足于设计实验流程,他们已经完成了虚拟实验。为此,他们首先把实验分成三个熟知且可控的环节:先制造伽马光子,然后在环空器中制造热辐射光子,最后通过碰撞创造出物质粒子。

他们为这三个阶段分别建立了理论模型,然后用计算机程序进行模拟,所采用的运算方法则直接借鉴自核物理研究。

“1940年代末设计氢弹时,研究人员就已经开始对此类连锁效应进行模拟了。”法国鲁昂大学建模与模拟专家弗兰克·瓦雷纳(Franck Varenne)介绍道。

这种方法由来已久,所以可靠性极高。“我们可以把研究人员的模拟实验当成‘准实验’,它有时候比真正的实验更有价值。”弗兰克·瓦雷纳透露,“例如,对飞机进行模拟测试比进行数千小时飞行实验更可靠。”

梦想即将成为现实。但鉴于这一课题的重大意义与实验方式的独特性,粒子物理学家拒绝予以评论。他们期待眼见为实……

这一天或已不远。奥利弗·派克的研究团队已开始游说一家拥有所需装备的实验室。史蒂文·罗斯透露,全世界只有3台激光器拥有足够的功率可以进行这个实验:美国国家点火装置,法国兆焦耳激光器(LMJ)和英国猎户座激光器。


美国国家点火装置

法国兆焦耳激光器

英国猎户座激光器

实验之后,那个精巧的小装置或许还能派上更大用场……

“目前最重要的是先要观察到这种转化。”奥利弗·派克表示,“不过光子碰撞或许会生成大量其他粒子,带来新的认识,甚至令人耳目一新的发现。”就让我们拭目以待吧。

撰文 Román Ikonicoff

编译 郑丁葳

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