原子彈爆炸產生光和能量，那麼能量和光，怎麼才能再變回成物質？

2020-05-30 博科園

宇宙大爆炸開始幾分鐘後，產生了物質和反物質的第一批粒子，現在我們熟悉從營火到原子彈一切事物中的相反過程：即物質產生能量，但很難再現從光到物質的關鍵轉變。現在，加州大學聖地牙哥分校的阿列克謝·阿雷菲耶夫領導一個研究小組進行了一組新模擬，為利用光製造物質指明了方向。這一過程首先將高功率雷射對準目標，以產生與中子星一樣強的磁場。

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這個場會產生伽馬射線輻射，它們相互碰撞，在最短的瞬間產生物質和反物質粒子對。機械和航空航天工程副教授阿雷菲耶夫(Arefiev)表示：在發表在《物理評論應用》期刊上的這項研究提供了一種方法，東歐極限光基礎設施(ELI)高功率雷射設施的實驗者可以效仿，在一到兩年內產生真正的結果，其研究結果使科學家能夠首次探索宇宙中的一個基本過程。

駕馭超高功率的能量

研究團隊在相對論雷射-等離子體模擬小組的同事們多年來一直在研究如何創造超強、定向的能量輻射光束，這項研究得到了國家科學基金會和空軍科學研究辦公室的部分支持。研究指出：實現這一目標的一種方法是將高功率雷射對準一個目標，以產生一個非常強的磁場，從而釋放出強烈的能量釋放。瞄準密集目標的高強度、超短雷射脈衝可以使目標變得「相對透明」，因為雷射中的電子以非常接近光速的速度移動，有效地變得更重。

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這可以防止雷射的電子移動以保護目標不受雷射照射。當雷射推過這些電子時，它會產生一個與中子星表面引力一樣強的磁場，比地球磁場強1億倍以上。說這一切都是在一眨眼之間發生，一點都不誇張，磁場存在100飛秒(飛秒是十分之一秒-一千萬億分之一秒)。但是「從雷射的角度來看，這個場是準靜態的，話又說回來，從雷射的角度來看，我們的壽命可能比宇宙的壽命更長。在這種情況下，高功率雷射器是在數拍瓦範圍內的雷射器，一拍瓦是一百萬瓦。

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相比之下，太陽向地球整個高層大氣提供了大約174拍瓦的太陽輻射，一支雷射筆可以為Power Point幻燈片提供大約0.005瓦的功率。之前的模擬表明，雷射器必須是高功率的，並且瞄準一個微小的光點，才能產生足夠強的磁場所需的強度。新模擬表明，通過增加焦點的大小，並將雷射功率提高到4拍瓦左右，雷射的強度可以保持不變，仍然可以產生強大的磁場。模擬結果表明，在這些條件下，磁場的雷射加速電子刺激了高能伽馬射線的發射。

粒子對

其中一個有趣的事情是（電子-正電子對產生）物質和反物質的成對粒子。這些粒子可以通過兩個伽馬射線束碰撞或一個伽馬射線束與黑體輻射碰撞而產生，黑體輻射是一個吸收落在上面的所有輻射的物體。科學家們之前已經完成了從光到物質轉變的壯舉，特別是在1997年史丹福大學的一次實驗中，但那種方法需要額外的高能電子流，而新方法「只是用來產生物質的光」。

原子彈爆炸產生光和能量，那麼能量和光，怎麼才能再變回成物質？

史丹福大學的實驗「大約每100次就會產生一對粒子」。一項僅用光創造物質的實驗，更接近地模擬了宇宙最初幾分鐘的情況，為希望了解更多關於這一關鍵時間段研究人員提供了一個改進的模型。這項實驗還可以為研究反物質粒子提供更多的機會，反物質粒子仍然是宇宙組成的神秘部分。例如，科學家們好奇地想要更多地了解為什麼宇宙中的物質似乎比反物質多，而這兩者應該是等量存在的。

原子彈爆炸產生光和能量，那麼能量和光，怎麼才能再變回成物質？

博科園｜研究/來自：加利福尼亞大學聖地牙哥分校

研究發表期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.054024

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    那麼宇宙誕生時產生的巨量能量，就分成了兩個組成部分，絕大部分給了正反粒子的湮滅，很少一部分給了未湮滅的正粒子，而正粒子就形成了宇宙中的萬物，包括恆星、星雲、中子星等許多天體結構，當然也包括我們的地球。所以我們地球上的任何物質包括我們人類自已其實都是能量的聚集體。可能許多人對此表示不理解或懷疑，這確實情有可原。
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    「物質」這個詞其實就是最容易混淆的物理概念。實際上，很多人會自然而然把「物質」和「質量」聯立起來，似乎「物質」就是「質量」的載體。事實上，並不能這麼去理解。在物理學中，並沒有給「物質」下過一個準確的定義，原因其實也很簡單，因為根本沒有辦法進行量化分析。而「質量」和「能量」則是實實在在的物理概念。
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    伽馬射線爆發是宇宙中最強大的爆炸。這些爆炸事件持續一秒到幾分鐘不等，並且發出的伽瑪射線量與宇宙中所有恆星的總和相同。如此極端的能量只能在災難性事件中釋放，例如非常大的恆星死亡或兩顆緊湊恆星的合併，並伴隨著隨著時間推移而逐漸消失的各種能量的餘暉。
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    但是我們的生存和發展離不開能量，而讓物質變成能量卻非常容易，比如燃燒煤炭，就會釋放出大量的熱能，供我們取暖，進行工業化生產等。在我們現實世界裡，物質轉變能量每天都可以隨處可見，煤炭燃燃燒，炸彈爆炸還有其它物體的燃燒等。
  • 根據愛因斯坦的E=mc, 是不是所有物質其實都具有巨大的能量?
    愛因斯坦的E=mc^2告訴我們，質量為m千克的任何物質，內部都隱藏著mc^2焦耳的能量。這些巨大的能量和物質的結構有關。主要以物質中粒子和粒子之間的勢能(核能)形式存在。這些巨大能量的釋放並不那麼容易。像我們的太陽這樣的恆星內部，當前存在著大量的原子、原子核、質子和中子。這些粒子在巨大的壓力下相互碰撞，釋放出巨大的光能和熱能，源源不斷地輻射到宇宙空間。