科學家證明，用光就能阻礙電子運動！

來自英國帝國理工學院的科學家團隊已經證明，用光完全可以來阻止電子束運動。該研究小組的最新研究深入到了奇妙量子世界，並已發表在了近期的《物理評論X》(PhysicalReview X)上。

通常情況下，當電子被光子「撞擊」時，電子會獲得一些能量上的提升。但是如果電子移動的非常快，光非常強烈，那麼在這一情形下，情況將完全不同。高能電子在極其強烈的光束存在的情況下會劇烈地振動，以至釋放出大量能量，從而動能下降，速度減慢。我們稱這種過程被為「輻射反應」。

圖丨輻射反應是一個加速電子自身所激發的電磁場對自身所產生的反作用。通常，這種效應很小，可以用洛倫茲力的方程中來描述。但當電子反衝顯著時，需要進行量子描述。

研究小組藉助英國科學技術設施委員會激光中心的雙子激光器來進行了此次的實驗。研究團隊將一束高功率（太陽表面光強的千萬億倍）的激光與高能電子束碰撞。當高能激光束成功地擊中高能(高速)電子束時,激光束會從碰撞中獲得能量(頻率改變)，輻射出高能的伽馬射線，最終由參鉈的碘化銫晶體陣列組成探測器探測。

圖丨實驗圖示：f/40聚光鏡；高強度激光(紅色)；直徑15 毫米的超音速氦氣體噴口；f/2聚光鏡，透鏡中央有一小孔以方便電子束和輻射出的伽馬射線透過；高能電子束(藍色)，分光屏；磁體；伽馬射線；參鉈的碘化銫晶體組成的陣列（Csl）用來探測伽馬射線

此項研究的通訊作者、帝國理工學院物理系的Stuart Mangles博士表示：「當我們探測到非常明亮的高能伽馬射線輻射時，那麼就證明高能電子束和激光束已經成功地撞上了。將這一探測結果與碰撞前後電子束中的能量進行比較時，我們發現這些成功碰撞的電子能量比預期的要低，而這正是發生輻射反應的明顯證據。」

圖丨高能電子束和激光束成功碰撞後，Csl晶體探測器探測到的光強有了明顯的提高

就如該研究的共同作者，來自英國蘭卡斯特大學的Thomas教授所說的，該實驗最吸引人的地方是，厚度不及頭髮絲的光薄層上有效地阻止的電子的透過，其效果和一毫米的鉛阻擋輻射的效果類似，而這一現象是非常不尋常的。

不過科學家之所以對輻射反應特別的感興趣，是因為這一反應被認為會在黑洞處出現。而如果能夠在實驗室重複出這一反應的話，那麼研究者們就可以對神秘的「黑洞」處發生的諸多物理過程有更多的了解。

圖丨此實驗中測量到的電子束能量數據更符合量子模型，而非經典的輻射反應模型

另外這項工作為未來的利用高功率激光進行量子實驗拓寬了道路。而輻射反應也是超越經典物理學研究範圍的問題之一。在一些極端的條件下(比如黑洞)，一些物理現象將不會遵從經典的麥克斯韋方程，而是需要考慮進考慮其他的量子效應，而像這裡描述的實驗所得到的數據也更傾向於量子而非經典的輻射反應模型。

如今高功率的激光現在變得足夠強大，足以探索量子世界來解開諸多物理謎團。來自瑞典查爾默斯科技大學的Marklund教授表示，對於研究者來說，通過實驗檢驗理論預測是極為重要的，特別是在這一類新的研究領域，將實驗與理論相結合，能夠為高強度激光在量子領域的研究奠定好基礎。

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參考文獻：

https://physics.aps.org/articles/v11/13

https://www.forbes.com/sites/meriameberboucha/2018/02/11/scientists-prove-that-light-can-stop-electrons/?from=singlemessage#4dacdd626b42

10.1103/PhysRevX.8.011020

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