【物理新知】科學家找出將光線轉換為物質的方法

■理論物理學家研究出一種用光來製造物質的方法。80年來,科學家相信兩個光子對撞能創造出物質,但多年來無法透過實驗收集證據,因此這個方法讓各方引頸企盼。

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相片來源:環腔體(中空的黃金罐體)可望驗證80年前科學家提出的理論

作者|Stephen Luntz
編譯|
劉賢哲

愛因斯坦最著名的方程式 e=mc^{2}  告訴我們,物質與能量可以互換。原子彈中的物質爆炸時會產生光,但要將光轉換為物質卻極為困難。

喬治布.萊特(Gregory Breit)與約翰.惠勒(John Wheeler)在1934年提出,在適當的情況下,兩個光子對撞可產生電子和陽電子。倫敦帝國學院教授史帝夫.羅斯(Steve Rose)表示:「雖然物理學家一致認可這個理論的正確性,但就連布萊特與惠勒當初提出這個理論時,也不相信能在實驗室中加以驗證。」但時至今日,實驗人員可用的設備已有長足的進展。

華沙大學(University of Warsaw)的物理學家卡札斯卡(Katarzyna Krajewska)與卡明斯基(Jerzy Kaminski),於今年初模擬雷射與非雷射光子互撞後,產生的電子和陽電子會如何分佈。他們提到:「高功率雷射技術的迅速發展,重燃理論物理學家對強場量子電動力學的興趣。」

羅斯教授和他的博士研究生奧利佛.派克(Oliver Pike)在《自然光學》(Nature Photonics)中提出一種可驗證這類模擬的兩步驟流程。首先,利用高強度雷射將電子加速至接近光速,再讓這些電子撞擊至黃金板上。電子的衝擊力會釋放出高能量的伽瑪射線,產生的光子所含能量比可見光高10億倍。接著,使用高能量雷射光加熱中空金管內部的表面,創造波長展開。羅斯與派克相信,如果能將第一步產生的高能量伽瑪射線導向金管內的熱輻射場中心,那麼兩束光子對撞會產生大量電子-陽電子對偶,科學家就有辦法發現。

這個概念源自於派克研究核融合時的靈感,他表示:「雖然這個理論的概念很單純,但是透過實驗加以驗證非常困難。我們很快就構想出製作對撞機的概念,而且可以透過現有技術並以相對簡單的方式驗證。能在短時間內找出環腔體(hohlraum)在核融合能源研究以外的用途,並且意識到它最適合用來製造光子對撞機時,我們也非常訝異。」

雖然派克及羅斯正在與擁有這類設備的實驗室合作,但實驗尚未展開。投注龐大的能源經費但卻只能產生少量電子,從這點來看,此研究絕對不具商業價值;但實驗可望協助科學家進一步瞭解量子領域,才是其重要之處。

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研究出處:Scientists Work Out How To Make Matter From Light
譯者:劉賢哲 科教中心特約寫手,從事科普文章編譯。
責任編輯:Kerina Huang

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