物理學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)光子轉(zhuǎn)化為物質(zhì)

光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，這原本是科幻小說里常見的創(chuàng)造物質(zhì)的方式。誰曾想到，如今人類距離這個(gè)夢(mèng)想是越來越近了，因?yàn)橐粋€(gè)核物理科學(xué)家小組設(shè)計(jì)了一個(gè)終極轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，可以把光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。

伽馬射線光子轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì) 美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室照片

事實(shí)上，相對(duì)于浩瀚的宇宙而言，人類生活在一個(gè)極其渺小的行星上，圍繞著一顆毫不起眼的恒星旋轉(zhuǎn)，但卻有機(jī)會(huì)探索宇宙。

是的，浩瀚的宇宙和人類周圍的世界處處充滿了神秘和未知。起源于超新星核心的原子構(gòu)成了地球上的所有生命，但人類對(duì)宇宙的理解可以說是微不足道的。憑借目前的科技水平就算借助最先進(jìn)的設(shè)備，卻只能窺探到它極其微少的一部分。

如今，一項(xiàng)新研究成果似乎將改變這一切。這項(xiàng)研究的科學(xué)家認(rèn)為，宇宙中的物質(zhì)是由光子碰撞產(chǎn)生的。如果兩個(gè)光子碰撞得足夠強(qiáng)烈，那么就可以產(chǎn)生物質(zhì)：正負(fù)電子對(duì)，根據(jù)愛因斯坦的狹義相對(duì)論，將光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，這種現(xiàn)象被稱為 Breit-Wheeler 過程。

通過 Breit-Wheeler 過程，純光有可能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)

什么是 Breit-Wheeler 過程？

Breit-Wheeler 過程是將光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的最簡(jiǎn)單的反應(yīng)。

1934 年，科學(xué)家布雷特（Gregory Breit）和惠勒（John A. Wheeler）為兩個(gè)光子碰撞中產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的過程提出了理論，并在科學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。

遺憾的是，盡管科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)令人驚訝，但這一切還只是處于理論階段，純光變物質(zhì)的布雷特-惠勒（Breit-Wheeler）正負(fù)電子對(duì)從未在實(shí)驗(yàn)室里被觀察到過。這是因?yàn)樵谀切┠昀铮緵]有辦法為光子激烈碰撞提供足夠強(qiáng)大的能量。

盡管該過程是質(zhì)量和能量等價(jià)原理的表現(xiàn)形式之一，但一組科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在 2014 年得出結(jié)論，由于難以聚焦逆行伽馬射線，因此在實(shí)踐中從未觀察到Breit-Wheeler 過程。

光可以轉(zhuǎn)化為物質(zhì)

事實(shí)上，直接觀察僅涉及兩個(gè)光子的純現(xiàn)象仍然非常困難，主要是因?yàn)楣庾右恢痹诜浅；钴S的運(yùn)動(dòng)，而科學(xué)家們沒有制造伽馬激光的技術(shù)。但是布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們表示，他們通過相對(duì)論的重離子對(duì)撞機(jī) (RHIC) 找到了解決這個(gè)問題的方法。換句話說，就是通過這個(gè)方法可以讓大家能夠觀察到 Breit-Wheeler 過程。

光子如何轉(zhuǎn)化為物質(zhì)？

實(shí)際上，物質(zhì)和反物質(zhì)粒子——正負(fù)電子對(duì)——可以通過碰撞高能光子產(chǎn)生，這些光子是光的量子“包”。 光子轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，這是愛因斯坦公式 E = mc2 的理論，它顯示了能量和物質(zhì)的互換性。

正如重離子對(duì)撞機(jī)的名稱所暗示的那樣，重離子加速是失去電子的原子核的加速。由于電子帶負(fù)電而原子核內(nèi)質(zhì)子帶正電，因此 Breit-Wheeler 過程會(huì)留下帶正電荷的原子核。元素越重，它包含的質(zhì)子就越多，生成的離子的正電荷就越強(qiáng)。

在研究過程中，科學(xué)家們使用了含有 79 個(gè)質(zhì)子和強(qiáng)大電荷的金離子。當(dāng)金離子被加速到非常高的速度時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓形磁場(chǎng)，其強(qiáng)度與對(duì)撞機(jī)中的垂直電場(chǎng)一樣強(qiáng)大。在它們相交的地方，這些相等的場(chǎng)可以產(chǎn)生電磁粒子或光子。

顯示金離子的接近程度如何導(dǎo)致光子碰撞的圖表。（圖片由布魯克海文實(shí)驗(yàn)室研究人員提供）

專家解釋說，當(dāng)離子以接近光速的速度移動(dòng)時(shí)，金核就會(huì)被一束光子包圍，光子像云一樣跟著它移動(dòng)。在重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC ）實(shí)驗(yàn)中，離子被加速到相對(duì)論速度——即接近光的速度，金離子被加速到光速的 99.995%。

這里就是發(fā)生魔法的地方：當(dāng)兩個(gè)離子剛剛相互碰撞時(shí)，它們的兩個(gè)光子云可以相互作用和碰撞。雖然無法檢測(cè)到碰撞本身，但可以觀察到由此產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)。然而，發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)顯然還是不夠的。

問題在于，在對(duì)撞機(jī)（RHIC ）實(shí)驗(yàn)中，電磁相互作用產(chǎn)生的光子是虛擬光子，它們會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)并消失，并且與“真實(shí)”對(duì)應(yīng)物的質(zhì)量不同。但現(xiàn)實(shí)是，要觀察 Breit-Wheeler 過程，必須要兩個(gè)真實(shí)的光子碰撞，而不是虛擬的。

Bright Wheeler 過程

但在相對(duì)論速度下，虛擬粒子可以像真實(shí)光子一樣表現(xiàn)。幸運(yùn)的是，科學(xué)家們現(xiàn)在可以確定在 Breit-Wheeler 過程中形成的正電子對(duì)：他們分析了 6,000 對(duì)電子和正電子，這些電子和正電子是在對(duì)撞機(jī) (RHIC) 中金原子核碰撞過程中形成的。物理學(xué)家還測(cè)量了整個(gè)系統(tǒng)所有的能量、質(zhì)量和量子數(shù)的分布狀態(tài)。

布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家丹尼爾·勃蘭登堡說，它們與真實(shí)光子的碰撞效果及理論計(jì)算都是一致的。正如 Breit 和 Wheeler 最初預(yù)測(cè)的那樣，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了從光的碰撞中直接一步產(chǎn)生物質(zhì)-反物質(zhì)對(duì)的明確證據(jù)。

目前，該項(xiàng)工作的研究成果還是非常令人信服，至少它表明了該領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)走在正確的軌道上。與此同時(shí)，他們將繼續(xù)進(jìn)一步觀察物質(zhì)的產(chǎn)生過程，一起拭目以待進(jìn)一步的驚人發(fā)現(xiàn)吧！

冷月的詩和遠(yuǎn)方

身邊的朋友總是和我說，真的好羨慕你們這樣的人。能夠自由自在的享受生活，去經(jīng)歷、去冒險(xiǎn)。

可我也總說自由的美好，我還沒感受到。為了詩和遠(yuǎn)方，我放棄了生活，去追尋，去尋找。常常緊衣縮食，遭遇失溫，落石，獨(dú)行是家常便飯。

但那里有純潔的朝露，那里有已逝的熱土。我總是兩手空空，因?yàn)槲矣|摸過所有。折桂而來，迷情而往。這是獨(dú)行者的悲哀和幸福。

經(jīng)得起這孤獨(dú)的詩，耐得住這悠長(zhǎng)的路，拋的下世俗與紅塵苦樂，才到得了屬于你自己的詩和遠(yuǎn)方。

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▌冷月的哲學(xué)之詩▌

這世界的和弦流淌

一曲曲平凡與高尚

一幕幕生存與死亡

大魚飛揚(yáng) 在天地的光芒中

麥浪聲響 于自由的守望里

點(diǎn)擊卡片關(guān)注

▽冷月的哲學(xué)精選集▽

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