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光线如何可以轻松“造物”?

导读: 从理论上,将两个光分子(即所谓的光子)放在一起挤碎,将产生一个带单位负电荷的电子和一个带单位正电荷的正电子。目前为止,在实验室中尚未观测到这一现象。

  伦敦帝国理工学院的物理学家研究出一种使用光制造物质的方案。80多年前,就有科学家提出了这一理论(注:1934年Breit和Wheeler最先提出构想),在当时看来这个想法十分疯狂。现在,在三位科学家在一个小咖啡馆里泡了一天并喝掉无数杯咖啡之后,他们想出了一个相对简单可行的方案。

  虽然经过理论推算,光线造物是可行的,但即使Breit和Wheeler本人也坦言,从未预想过有人能够真的演示他们的设想。从理论上,将两个光分子(即所谓的光子)放在一起挤碎,将产生一个带单位负电荷的电子和一个带单位正电荷的正电子。目前为止,在实验室中尚未观测到这一现象。

  本文提到的最新的研究成果发表在期刊《自然·光学》(Nature Photonics)上。这是人类首次以真实实验的形式验证了光线造物的理论。这里涉及到的“光子对撞机”使用现有技术,就可以将光线直接转变为物质。这一实验可以重现宇宙最初形成的100秒时间里发生的现象,这一现象在伽马射线爆发时也会出现。伽马射线爆发是宇宙中规模最大的爆炸,同时也是物理学界最大的未解之谜。

  科学家们在研究聚变能量等其他无关问题时,意识到这一发现可以用于验证Breit-Wheeler的理论。一名来自马克思·普朗克核物理研究所(Max Planck Institute for Nuclear Physics)的理论物理学家在造访帝国理工学院时,与其他同仁一起完成了这个壮举。

  演示Breit-Wheeler的理论,将为揭示光与物质互动的形式提供最后的关键证明。这就好比拼图游戏的最后一块,而前六块“拼图”中包括1930年狄拉克的正负电子对理论和1905年爱因斯坦的光电效应理论,这几项发现都获得了诺贝尔奖。

  帝国理工学院物理系教授史蒂夫·罗斯(Steve Rose)表示:“尽管所有物理学家都认可Breit-Wheeler理论的正确性,但就连他们本人都不相信能在实验室验证这个理论。现在,80年过去了,我们证明他们错了。整个实验最令我们兴奋的地方是发现了可以把光线直接转换成物质的方法,使用的技术是我们已经掌握了的技术。因为我们是理论学者,所以我们正在同其他能够完成这一实验的人洽谈。”

  光子对撞实验由两个关键步骤组成。第一步,使用具有极高能量的高强度激光将电子加速至接近光速,然后将这些电子导入黄金板坯,创造一个比可见光高10亿倍能量的光子束;第二步,加入一块名为hohlraum(德语,意为“空房间”)的极小的黄金。科学家使用高能激光烘烤金块的内表面,创建一个热辐射场,从而像产生恒星发散光芒一样制造出光。随后,通过罐体中心,引导第一步制造的光子束同第二步产生的光子进行碰撞,形成正电子和电子。当正负电子离开罐体,就可以检验理论的正确性。

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