物理學家首次發現光子轉化為物質

光轉化為物質，這原本是科幻小說里常見的創造物質的方式。誰曾想到，如今人類距離這個夢想是越來越近了，因為一個核物理科學家小組設計了一個終極轉化實驗，可以把光轉化為物質。

伽馬射線光子轉化為正負電子對物質和反物質 美國費米實驗室照片

事實上，相對于浩瀚的宇宙而言，人類生活在一個極其渺小的行星上，圍繞著一顆毫不起眼的恒星旋轉，但卻有機會探索宇宙。

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成了地球上的所有生命，但人類對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的設備，卻只能窺探到它極其微少的一部分。

如今，一項新研究成果似乎將改變這一切。這項研究的科學家認為，宇宙中的物質是由光子碰撞產生的。如果兩個光子碰撞得足夠強烈，那么就可以產生物質：正負電子對，根據愛因斯坦的狹義相對論，將光轉化為物質，這種現象被稱為 Breit-Wheeler 過程。

通過 Breit-Wheeler 過程，純光有可能轉化為物質

什么是 Breit-Wheeler 過程？

Breit-Wheeler 過程是將光轉化為物質的最簡單的反應。

1934 年，科學家布雷特（Gregory Breit）和惠勒（John A. Wheeler）為兩個光子碰撞中產生正負電子對的過程提出了理論，并在科學期刊《物理評論快報》上發表了這一發現。

遺憾的是，盡管科學家們的發現令人驚訝，但這一切還只是處于理論階段，純光變物質的布雷特-惠勒（Breit-Wheeler）正負電子對從未在實驗室里被觀察到過。這是因為在那些年里，根本沒有辦法為光子激烈碰撞提供足夠強大的能量。

盡管該過程是質量和能量等價原理的表現形式之一，但一組科學研究團隊在 2014 年得出結論，由于難以聚焦逆行伽馬射線，因此在實踐中從未觀察到Breit-Wheeler 過程。

光可以轉化為物質

事實上，直接觀察僅涉及兩個光子的純現象仍然非常困難，主要是因為光子一直在非常活躍的運動，而科學家們沒有制造伽馬激光的技術。但是布魯克海文國家實驗室的物理學家們表示，他們通過相對論的重離子對撞機 (RHIC) 找到了解決這個問題的方法。換句話說，就是通過這個方法可以讓大家能夠觀察到 Breit-Wheeler 過程。

光子如何轉化為物質？

實際上，物質和反物質粒子——正負電子對——可以通過碰撞高能光子產生，這些光子是光的量子“包”。 光子轉化為物質，這是愛因斯坦公式 E = mc2 的理論，它顯示了能量和物質的互換性。

正如重離子對撞機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。由于電子帶負電而原子核內質子帶正電，因此 Breit-Wheeler 過程會留下帶正電荷的原子核。元素越重，它包含的質子就越多，生成的離子的正電荷就越強。

在研究過程中，科學家們使用了含有 79 個質子和強大電荷的金離子。當金離子被加速到非常高的速度時，它們會產生一個圓形磁場，其強度與對撞機中的垂直電場一樣強大。在它們相交的地方，這些相等的場可以產生電磁粒子或光子。

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

專家解釋說，當離子以接近光速的速度移動時，金核就會被一束光子包圍，光子像云一樣跟著它移動。在重離子對撞機（RHIC ）實驗中，離子被加速到相對論速度——即接近光的速度，金離子被加速到光速的 99.995%。

這里就是發生魔法的地方：當兩個離子剛剛相互碰撞時，它們的兩個光子云可以相互作用和碰撞。雖然無法檢測到碰撞本身，但可以觀察到由此產生的正負電子對。然而，發現正負電子對顯然還是不夠的。

問題在于，在對撞機（RHIC ）實驗中，電磁相互作用產生的光子是虛擬光子，它們會在很短的時間內出現并消失，并且與“真實”對應物的質量不同。但現實是，要觀察 Breit-Wheeler 過程，必須要兩個真實的光子碰撞，而不是虛擬的。

Bright Wheeler 過程

但在相對論速度下，虛擬粒子可以像真實光子一樣表現。幸運的是，科學家們現在可以確定在 Breit-Wheeler 過程中形成的正電子對：他們分析了 6,000 對電子和正電子，這些電子和正電子是在對撞機 (RHIC) 中金原子核碰撞過程中形成的。物理學家還測量了整個系統所有的能量、質量和量子數的分布狀態。

布魯克海文實驗室的物理學家丹尼爾·勃蘭登堡說，它們與真實光子的碰撞效果及理論計算都是一致的。正如 Breit 和 Wheeler 最初預測的那樣，我們的實驗結果提供了從光的碰撞中直接一步產生物質-反物質對的明確證據。

目前，該項工作的研究成果還是非常令人信服，至少它表明了該領域的研究人員已經走在正確的軌道上。與此同時，他們將繼續進一步觀察物質的產生過程，一起拭目以待進一步的驚人發現吧！

冷月的詩和遠方

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，去經歷、去冒險。

可我也總說自由的美好，我還沒感受到。為了詩和遠方，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，因為我觸摸過所有。折桂而來，迷情而往。這是獨行者的悲哀和幸福。

經得起這孤獨的詩，耐得住這悠長的路，拋的下世俗與紅塵苦樂，才到得了屬于你自己的詩和遠方。

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