【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。

作者｜Stephen Luntz
編譯｜劉賢哲

愛因斯坦最著名的方程式  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