光能轉化成物質嗎

倫敦帝國學院的物理學家們近日找到了如何將光轉化為物質的方法——當大約80年前人們首次提出這一想法時曾普遍被認為這是不可能實現的。

在倫敦帝國學院布萊克特物理學實驗室的一間小小辦公室中，幾杯咖啡的時間裡，3位物理學家設計出了一種相對簡單的方法來從物理上實現最早於1934年由布萊特(Breit)以及惠勒(Wheeler)提出的一項理論。

如果將僅僅兩個光的粒子(光子)壓縮到一起，理論上應當可以將光轉變為物質，因為這樣做應該會產生出一個電子以及一個正電子，這是將光線轉變為物質的最簡單設想。計算顯示這樣做從理論上看是可能的，然而布萊特和惠勒表示他們從未設想有人能從物理上實現他們的這一設想。這一現象從未在實驗室中被觀察到過，並且過去曾經試圖驗證該理論的實驗中都不得不加入額外的大質量高能粒子才能進行。

而在這最新研究中，研究人員首次證明布萊特和惠勒的理論是可以在實踐中被檢驗的。其提出的通過「光子-光子」碰撞機制直接合成物質的理論可以藉助現有技術實現，這將是一種全新的高能物理實驗。這項實驗將會重現宇宙誕生最初100秒內的情景，而在伽馬射線暴中也能觀察到類似現象，後者是宇宙中迄今已知能量最為強大的爆發，也是物理學上最大的未解之謎之一。

此次參與研究的這些科學家們此前所從事的都是與這一問題毫不相關的核聚變研究，然後他們突然意識到他們的專業知識可以被應用於布萊特·惠勒理論。在與一位來自德國馬克斯普朗克核物理研究所的理論物理學家的合作之下，他們共同取得了這項突破性的進展。

驗證布萊特-惠勒理論將為解決一個物理學謎團加上最後一塊缺失的零件，這一問題所描述的是光與物質之間相互反應的最簡單形式。與這一問題有關的其他6個部分中還包括狄拉克在1930年提出的有關電子與正電子湮滅反應的理論，以及愛因斯坦在1905年提出的光電效應理論等等，這幾項研究當時都獲得了諾貝爾獎。

倫敦帝國學院物理系的史蒂夫·羅斯(Steve Rose)教授表示：「儘管所有物理學家們接受並認為這一理論是正確的。當布萊特和惠勒最初提出這一理論的時候也曾經表示並不指望能有一天將其在實踐中進行驗證。然而在80多年後的今天，我們已經證明這些說法都是錯誤的，這項理論是可以被在實踐中進行驗證的。

另外讓我們感到驚奇的一點還包括，我們竟然可以用今天在英國現有的技術水平下實現從光線直接合成物質。由於我們是理論學家，因此我們現在正打算將我們的計劃公之於眾，以便其他人可以運用我們的設想來開展這項開拓性的實驗。」

研究組提出的碰撞實驗包含兩個關鍵步驟。首先，科學家們將使用一束能量極高的激光來加速電子，使其速度達到接近光速的水平。隨後他們將這些電子射入一個金箔，從而產生能量比可見光高出數十億倍的光子束。

接下來，實驗者將使用一個微型的黃金製作的容器，被稱作「空腔」。科學家們將會使用一束高能激光轟擊黃金容器的內壁，從而產生熱輻射場，這種輻射與恆星產生的光有些類似。

隨後研究者將會把第一階段實驗中得到的光子束引導通過容器中心，致使來自兩個源的光子互相碰撞並形成電子與正電子。當這些粒子與容器發生反應時便可以探測到它們的存在。

這項研究的第一作者是目前正在攻讀等離子體物理學博士學位的奧利弗·派克(Oliver Pike)。他說：「儘管這一理論理論上來說非常簡單，但很難從實驗上予以證明。

我們很快設計出了這項碰撞實驗方案，並且這項方案實施起來相對容易，並且只需要用到現有的技術即可實現。在花費了數小時思考空腔在聚變能研究領域之外的可能用途時，我們突然意識到它可以提供用於光子對撞的絕佳條件。是時候開展這項實驗了!」

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