兩個(gè)光粒子對(duì)撞可以用來(lái)創(chuàng)造物質(zhì)與反物質(zhì)對(duì)。

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的STAR探測(cè)器探測(cè)到由光線相撞產(chǎn)生的成對(duì)的物質(zhì)和反物質(zhì)。（圖片來(lái)源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

愛(ài)因斯坦最著名的方程式之一顯示出驚人魔力，物理學(xué)家們表示他們首次從光中制造出了物質(zhì)。

根據(jù)阿爾伯特愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程，如果讓兩個(gè)能量足夠大的光子對(duì)撞，有可能創(chuàng)造出物質(zhì)：一個(gè)電子和它的反物質(zhì)，正電子。

這個(gè)物理過(guò)程在1934年被美國(guó)的物理學(xué)家Gregory Breit 和John Wheeler首次描述出來(lái)，但長(zhǎng)期以來(lái)卻是最難在物理上觀察的。主要原因在于，參與碰撞的光子必須是高能伽馬射線，然而當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們還無(wú)法制造出伽馬射線激光。其他的替代實(shí)驗(yàn)可以從多個(gè)光子中創(chuàng)造出物質(zhì)，但是一對(duì)一的光子碰撞卻還沒(méi)有創(chuàng)造出物質(zhì)來(lái)證實(shí)這個(gè)效應(yīng)。

不過(guò)，來(lái)自紐約布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究者們發(fā)現(xiàn)了其他的辦法。利用實(shí)驗(yàn)室的RHIC(相對(duì)論重離子碰撞)機(jī)器，他們可以進(jìn)行一種密切符合這種奇特的轉(zhuǎn)化反應(yīng)的測(cè)量。

布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家許長(zhǎng)補(bǔ)說(shuō)，"在他們的論文中，Breit 和 Wheeler已經(jīng)意識(shí)到這基本是不可能觀測(cè)到的，那時(shí)候連激光器都沒(méi)有！但他們提出了另一種方案：加速重離子。我們現(xiàn)在在RHIC進(jìn)行的研究就是用了這種方式。"

許長(zhǎng)補(bǔ)解釋道，研究人員沒(méi)有直接加速光子，而是在環(huán)狀加速器中加速了兩個(gè)離子（去掉了電子的原子核，帶有正電荷），然后讓它們近距離互相飛越。由于這些離子是非常接近光速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，它們本身也帶有電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)中則有一堆并不真實(shí)存在的“虛光子”，像云團(tuán)一樣與離子一起飛行。

虛粒子是一些存在時(shí)間極短的粒子，由實(shí)粒子之間的場(chǎng)的擾動(dòng)產(chǎn)生，它們的質(zhì)量與對(duì)應(yīng)的實(shí)粒子也不一定不同（比如實(shí)光子質(zhì)量為零，虛光子則可能擁有非零質(zhì)量）。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)兩個(gè)離子近距離飛越對(duì)方，它們自身的虛光子云移動(dòng)的也非?？?，以至于看起來(lái)像實(shí)粒子一樣。這些像實(shí)粒子一樣的虛粒子相撞則會(huì)產(chǎn)生可以探測(cè)到的電子-正電子對(duì)。

為了盡可能真實(shí)地觀察Breit-Wheeler過(guò)程，物理學(xué)家必須確保這些虛光子與實(shí)粒子有相同的行為。為了檢查這一點(diǎn)，他們要測(cè)量實(shí)驗(yàn)中生成的6000多個(gè)電子-正電子對(duì)之間的夾角。

當(dāng)兩個(gè)實(shí)粒子相撞時(shí)，次級(jí)產(chǎn)物的角度與兩個(gè)虛粒子相撞不同。但在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，虛粒子次級(jí)產(chǎn)物的角度與實(shí)粒子次級(jí)產(chǎn)物相同。所以研究者可以確認(rèn)他們看到的粒子的行為確實(shí)與實(shí)粒子相同，他們成功地展示了Breit-Wheeler過(guò)程。

研究人員同樣測(cè)量了系統(tǒng)的能量和質(zhì)量分布?！八鼈兣c真實(shí)的光子會(huì)發(fā)生什么的理論計(jì)算相符”，一位布魯克海文的物理學(xué)家Daniel Brandenburg在聲明中如是說(shuō)。

然而，盡管它們表現(xiàn)得像實(shí)粒子，但不可否認(rèn)的是實(shí)驗(yàn)中使用的虛光子依然是虛擬的。這引起了一個(gè)疑問(wèn)，即這個(gè)實(shí)驗(yàn)是否為布萊特-惠勒過(guò)程的真實(shí)展示。但無(wú)論如何，這仍然是在物理學(xué)家開發(fā)出足夠強(qiáng)的激光器來(lái)展示與真實(shí)光子的過(guò)程前重要的第一步。

相關(guān)知識(shí)

在物理學(xué)中，質(zhì)能等效是指靜止參考系中質(zhì)量和能量的等價(jià)關(guān)系[1][2]，而他們?cè)跀?shù)值和單位上是不同的。該原理可由物理學(xué)家愛(ài)因斯的著名公式來(lái)描述[3]：質(zhì)能方程E=m,c^2

該公式將粒子在其靜止參考系中的能量 E 定義為質(zhì)量 (m) 與光速平方 (c^2) 的乘積。因?yàn)楣馑僭谌粘挝幌率且粋€(gè)很大的數(shù)值（大約3*10^8米/秒），這個(gè)公式指出很小的靜止質(zhì)量便對(duì)應(yīng)了巨大的能量，而與物體的構(gòu)成成分無(wú)關(guān)。靜止質(zhì)量又稱為不變質(zhì)量，是系統(tǒng)靜止時(shí)測(cè)得的質(zhì)量。它是一個(gè)與動(dòng)量無(wú)關(guān)的基礎(chǔ)物理屬性，即使在接近光速的極端速度下也保持不變（即它的值在所有慣性參考系中都是相同的）。

無(wú)質(zhì)量粒子（例如光子）的不變質(zhì)量為零，但它們（無(wú)質(zhì)量的自由粒子）也具有動(dòng)量和能量。質(zhì)能等價(jià)性原理指出當(dāng)能量在化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)和其他能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中損失時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)損失相應(yīng)大小的質(zhì)量。能量和質(zhì)量可以通過(guò)輻射的形式釋放到環(huán)境中，比如以光和熱量的形式。該原理（質(zhì)能等價(jià)性原理）是包括核物理學(xué)和粒子物理學(xué)在內(nèi)的許多物理學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)。

質(zhì)能等價(jià)來(lái)源于狹義相對(duì)論，被法國(guó)學(xué)者龐加萊認(rèn)為是一個(gè)悖論。愛(ài)因斯坦首先提出質(zhì)量和能量等價(jià)的觀點(diǎn)，并認(rèn)為這種等價(jià)性是空間和時(shí)間對(duì)稱性的普遍原理和結(jié)果。1905 年 11 月 21 日，該原理首次出現(xiàn)在他的奇跡年論文之一——“物體的慣性取決于它的能量含量嗎？”中。

該公式及其與動(dòng)量的關(guān)系(能量-動(dòng)量關(guān)系)后來(lái)由其他物理學(xué)家們繼續(xù)發(fā)展起來(lái)。（注：奇跡年，奇跡年論文（Annus mirabilis?papers）指的是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在公元1905年在德國(guó)科學(xué)期刊《物理年鑒》所發(fā)表的四篇論文。這四篇論文推進(jìn)了近代物理學(xué)的基礎(chǔ)，并且讓人重新理解空間、時(shí)間、質(zhì)量與能量。公元1905年也因此被稱為愛(ài)因斯坦奇跡年。）

BY：?Ben Turner

FY：Astronomical volunteer team

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