物理学家首次发现光子转化为物质

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光转化为物质，这原本是科幻小说里常见的创造物质的方式。谁曾想到，如今人类距离这个梦想是越来越近了，因为一个核物理科学家小组设计了一个终极转化实验，可以把光转化为物质。

伽马射线光子转化为正负电子对物质和反物质 美国费米实验室照片

事实上，相对于浩瀚的宇宙而言，人类生活在一个极其渺小的行星上，围绕着一颗毫不起眼的恒星旋转，但却有机会探索宇宙。

是的，浩瀚的宇宙和人类周围的世界处处充满了神秘和未知。起源于超新星核心的原子构成了地球上的所有生命，但人类对宇宙的理解可以说是微不足道的。凭借目前的科技水平就算借助最先进的设备，却只能窥探到它极其微少的一部分。

如今，一项新研究成果似乎将改变这一切。这项研究的科学家认为，宇宙中的物质是由光子碰撞产生的。如果两个光子碰撞得足够强烈，那么就可以产生物质：正负电子对，根据爱因斯坦的狭义相对论，将光转化为物质，这种现象被称为 Breit-Wheeler 过程。

通过 Breit-Wheeler 过程，纯光有可能转化为物质

什么是 Breit-Wheeler 过程？

Breit-Wheeler 过程是将光转化为物质的最简单的反应。

1934 年，科学家布雷特（Gregory Breit ）和惠勒（John A. Wheeler ）为两个光子碰撞中产生正负电子对的过程提出了理论，并在科学期刊《物理评论快报》上发表了这一发现。

遗憾的是，尽管科学家们的发现令人惊讶，但这一切还只是处于理论阶段，纯光变物质的布雷特-惠勒（Breit-Wheeler）正负电子对从未在实验室里被观察到过。这是因为在那些年里，根本没有办法为光子激烈碰撞提供足够强大的能量。

尽管该过程是质量和能量等价原理的表现形式之一，但一组科学研究团队在 2014 年得出结论，由于难以聚焦逆行伽马射线，因此在实践中从未观察到Breit-Wheeler 过程。

光可以转化为物质

事实上，直接观察仅涉及两个光子的纯现象仍然非常困难，主要是因为光子一直在非常活跃的运动，而科学家们没有制造伽马激光的技术。但是布鲁克海文国家实验室的物理学家们表示，他们通过相对论的重离子对撞机 (RHIC) 找到了解决这个问题的方法。换句话说，就是通过这个方法可以让大家能够观察到 Breit-Wheeler 过程。

光子如何转化为物质？

实际上，物质和反物质粒子——正负电子对——可以通过碰撞高能光子产生，这些光子是光的量子“包”。 光子转化为物质，这是爱因斯坦公式 E = mc² 的理论，它显示了能量和物质的互换性。

正如重离子对撞机的名称所暗示的那样，重离子加速是失去电子的原子核的加速。由于电子带负电而原子核内质子带正电，因此 Breit-Wheeler 过程会留下带正电荷的原子核。元素越重，它包含的质子就越多，生成的离子的正电荷就越强。

在研究过程中，科学家们使用了含有 79 个质子和强大电荷的金离子。当金离子被加速到非常高的速度时，它们会产生一个圆形磁场，其强度与对撞机中的垂直电场一样强大。在它们相交的地方，这些相等的场可以产生电磁粒子或光子。

显示金离子的接近程度如何导致光子碰撞的图表。（图片由布鲁克海文实验室研究人员提供）

专家解释说，当离子以接近光速的速度移动时，金核就会被一束光子包围，光子像云一样跟着它移动。在重离子对撞机（RHIC ）实验中，离子被加速到相对论速度——即接近光的速度，金离子被加速到光速的 99.995%。

这里就是发生魔法的地方：当两个离子刚刚相互碰撞时，它们的两个光子云可以相互作用和碰撞。虽然无法检测到碰撞本身，但可以观察到由此产生的正负电子对。然而，发现正负电子对显然还是不够的。

问题在于，在对撞机（RHIC ）实验中，电磁相互作用产生的光子是虚拟光子，它们会在很短的时间内出现并消失，并且与“真实”对应物的质量不同。但现实是，要观察 Breit-Wheeler 过程，必须要两个真实的光子碰撞，而不是虚拟的。

Bright Wheeler 过程

但在相对论速度下，虚拟粒子可以像真实光子一样表现。幸运的是，科学家们现在可以确定在 Breit-Wheeler 过程中形成的正电子对：他们分析了 6,000 对电子和正电子，这些电子和正电子是在对撞机 (RHIC) 中金原子核碰撞过程中形成的。物理学家还测量了整个系统所有的能量、质量和量子数的分布状态。

布鲁克海文实验室的物理学家丹尼尔·勃兰登堡说，它们与真实光子的碰撞效果及理论计算都是一致的。正如 Breit 和 Wheeler 最初预测的那样，我们的实验结果提供了从光的碰撞中直接一步产生物质-反物质对的明确证据。

目前，该项工作的研究成果还是非常令人信服，至少它表明了该领域的研究人员已经走在正确的轨道上。与此同时，他们将继续进一步观察物质的产生过程，一起拭目以待进一步的惊人发现吧！

总结：

看到这里，肯定又有些看官又不屑一顾了，说这些基础研究的本质就是噱头！殊不知，近代西方国家的快速崛起，与开展大规模的基础科学研究息息相关。

与西方国家相比，在基础科学研究方面，中国现在还处于追赶态势，必须加大这些方面的投入，提高我国原始性创新能力、积累智力资本，才能跻身世界科技强国。这才是建设创新型国家的根本动力和源泉。

（本文完结）

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