科學家找到光轉化為物質簡單方法 布雷特-惠勒正負電子實驗模擬成功

一個電子湊近一個正電子（觀察者網註：帶正電荷，質量和電子相等，是電子的反粒子），它倆會同歸於盡，一瞬間放出強光。能不能反其道而行之？科學家布雷特和惠勒1934年提出，如果讓兩個光子通過撞擊結合在一起，有可能變成物質，形成電子和正電子——這是最簡單的「光變物質」方法。但這就好比擠壓熱氣和煙塵去製造炸藥，實在太難了，他們也認為這只是理論，從未想過有人能實際證明這一預測。現在，在三位科學家在一個小咖啡館裡泡了一天並喝掉無數杯咖啡之後，他們想出了一個相對簡單可行的方案。

能把光變成物質的實驗都伴有大量高能粒子，純光變物質的布雷特-惠勒（Breit-Wheeler）正負電子對從未在實驗室裡被觀察到過。最近，一名來自馬克斯•普朗克核物理研究所（Max Planck Institute for Nuclear Physics）的理論物理學家在造訪倫敦帝國理工學院時，與其他同仁一起完成了這個壯舉。在研究聚變能量等其他無關問題時，他們意識到這一發現可以用於驗證布雷特-惠勒的理論，於是合作提出了證實這一理論的一個非常簡單方法，並模擬成功。相關論文發表在最近出版的《自然•光子學》上。

演示布雷特-惠勒的理論，將為揭示光與物質互動的形式提供最後的關鍵證明。該理論也是描述量子世界中粒子基本關係的最後一塊「拼圖」，而前六塊「拼圖」中包括1930年狄拉克的正負電子對理論和1905年愛因斯坦的光電效應理論，這幾項發現都獲得了諾貝爾獎。

演示布雷特-惠勒的理論，將為揭示光與物質互動的形式提供最後的關鍵證明。觀察者網註：圖為「七塊拼版」的費曼圖，費曼圖是美國物理學家理察•費曼在處理量子場論時提出的一種形象化的方法，描述粒子之間的相互作用、直觀地表示粒子散射、反應和轉化等過程。費曼圖中，粒子用線表示，費米子一般用實線，光子用波浪線，玻色子用虛線，膠子用圈線。時間軸，向右為正，空間軸向上為正。

這是人類首次以真實實驗的形式驗證光線造物的理論。這裡涉及到的「光子對撞機」使用現有技術，就可以將光線直接轉變為物質，代表了新型高能物理實驗的進步。這一實驗可以重現宇宙最初形成的100秒時間裡發生的現象，這一現象在伽馬射線爆發時也會出現。伽馬射線爆發是宇宙中規模最大的爆炸，同時也是物理學界最大的未解之謎。

伽馬射線暴所釋放的能量甚至可以和宇宙大爆炸相提並論。關於伽馬射線暴的成因，至今世界上尚無定論。有人猜測它是兩個中子星或兩個黑洞發生碰撞時產生的；也有人猜想是大質量恆星在死亡時生成黑洞的過程中產生的，但這個過程要比超新星爆發劇烈得多，因而，也有人把它叫做「超超新星」。

倫敦帝國學院物理系教授史蒂夫•羅斯說：「布雷特和惠勒首次提出這一理論時，雖然所有物理學家都相信它是真的，但從未在實驗室裡被證明。在80年後的今天，我們確實找到了利用現有技術即可驗證這一理論的簡單方法。現在我們把這個方法公布出來，大家就能用我們的方法去實踐這一裡程碑式的實驗。」

物理學家組織網5月19日（北京時間）的報導稱，研究小組提出對撞實驗涉及兩個關鍵步驟：第一步，先用極強雷射把電子加速到接近光速，然後把這些電子發射到一塊金板上，生成一束高能光子，這些光子的能量是可見光的10億倍；下一步，用一個很小的金空腔作黑體輻射，他們向金空腔內表面發射高能雷射，產生熱輻射場，從而產生類似於恆星發出的光。然後，他們讓第一步實驗產生的高能光子直接進入空腔中心，讓這不同來源的兩束光子撞在一起，形成電子和正電子。在電子和正電子離開空腔時，就可能檢測到它們。根據蒙特卡洛模擬（觀察者網註：採用隨機抽樣技術的一種統計模擬法）顯示，該系統一次發射能產生大約10萬個布雷特-惠勒對。

對撞實驗過程示意圖

首席研究員、等離子物理學在讀博士奧利弗•派克說：「雖然這一理論聽起來簡單，要想實驗證明卻非常困難。我們能很快想出對撞的方法，但還要提出能用現有技術來實現的實驗設計。我們發現黑體輻射空腔不僅能研究聚變能量，還為創造光子對撞機提供了完美條件。」

擴展閱讀：奇妙的光和物質交互——《星球大戰》中的「雷射劍」現實版

看過電影《星球大戰》的讀者，相信會對其中佔有舉足輕重地位的武器——光劍印象深刻。那是一種以純粹能量凝聚成的「利劍」，長約一米左右，還會發出特定顏色的光芒。不少人以為構成劍身的物質是雷射或其他光束，但是這一說法是違背物理定律的——如果把兩束雷射彼此相對，光子只會互相穿過，根本不可能成為一種固態，並在揮動時發出嗡嗡的聲音。

美國哈佛大學物理學教授米哈伊爾•盧金和麻省理工學院的物理學家弗拉丹•盧勒狄克教授所率領的科研團隊去年在《自然》雜誌上發表了他們最新的研究成果：通過將光子與分子結合，成功地創造出了一種此前未被觀察過的物質形式——它更像一個真實版的「光劍」。

這似乎違背了物理定律，光子可能被實質化嗎？畢竟，這些光粒子一直都被認為是不會相互作用、靜止質量為零的微粒。盧金教授表示：「我們在做的就是創造一種特殊的媒介，光子在媒介中能夠強烈的相互作用，這就會使它們表現的如同有質量一般，而且它們會黏合在一起來形成分子。這種光激束縛態長期以來都處於理論探索階段，但是到目前為止還尚未實現。」

研究者將銣原子吸入真空室，然後用雷射將原子云冷卻至接近絕對零度，再使用極弱的雷射脈衝將單個光子射入原子云。進入冷原子云的光子的能量激活了沿途的原子，使得光子的速度大大變慢。但是，隨著光子繼續穿透電子云，能量在不同原子間切換，最終與光子一起離開電子云。當科學家同時發送一個以上光子時，觀察到光粒子會堆積在一起，並且一道脫離原子云，就像單個的分子，從而使光子開始成為「光分子」——就像在上演一場「量子羅曼史」。這一現象甚至能被人眼所觀察到。

科學家所目擊的這種現象被稱為「裡德伯封鎖」效應。簡單地說，這種效應就是當兩個光子進入原子云裡，第一個光子會激活原子，但在第二個光子能夠激活臨近原子之前它就已經向前繼續移動。產生的結果便是兩個光子互相推拉穿過整個原子云，它們的能量從一個原子傳遞到下一個。

「這與玻璃杯裡光折射是相同的效應。」盧金解釋道：「當光進入水裡，它將部分能量傳遞給媒介，在水裡光和物質結合在一起，但當前者離開時，它仍然還是光」，「現在這個過程非常相似但更加極端——光速被極大的減慢，大量能量在折射過程中丟失」，「光分子的特性並不像傳統的雷射，而是更類似於光劍。當這些光子相互作用，它們會彼此推擠並偏移」。他說，這些分子之間產生的物理學更類似於我們在電影裡所看到的，是一種全新的物質形式，與電影《星球大戰》裡的光劍有類似之處。