如何证明光可以转化为物质

1934 年，两位美国物理学家提出理论，如果能让两个光子相撞，碰撞就会产生两个正电子-电子对，从而将光转化为物质。如果在实验室中得到证实，这一过程将完全证明爱因斯坦的相对论E=mc2 ，该理论指出物体的质量也是其储存能量的度量。当时，纽约大学物理学家格雷戈里·布莱特和约翰·A·惠勒提出他们的假设，但没有可用的科学工具来证明它，所以这对科学家只能依靠一种理论，一种非常完善的理论，后来被称为布莱特-惠勒过程，直到技术赶上来。

整整 80 年后，这一刻终于到来了：伦敦帝国理工学院的理论物理学家们偶然发现了一种方法，可以证明布莱特和惠勒的理论。在本月发表在《自然光子学》杂志上的一项研究中，该团队描述了他们在研究与聚变能相关的问题时，如何意识到，通过将高能激光发射到黑腔（一种吸收激光辐射并对称地将其重新辐射为 x 射线的微型金罐）中，科学家可以制造出“光子-光子对撞机”，成功地从高能光子中旋转出物质粒子。

该理论可在一年内得到证实。

由于设计这项实验的人只研究理论物理，而实际操作需要大量的实验人员，因此派克的团队目前正在召集其他研究人员，以妥善完成这项实验。他说，这项实验可能在“一年内”完成，这取决于团队能否快速获得世界上仅有的 10 个实验室设施之一，这些设施包含进行实验所需的设备：短脉冲激光能力以及黑腔或其他产生大量 X 射线的装置。该过程涉及一份正式的同行评审提案，该提案必须由该设施的委员会根据其详尽的陈述、人员专业知识和对科学的最终重要性批准。他们可能不会对最后一个问题有异议——成功进行后，这项实验将以最纯粹的形式实现对理解伽马射线爆发和宇宙形成最初几分钟至关重要的过程。

“布莱特-惠勒过程之所以难以捉摸，是因为观测该过程所需的光粒子数量非常多，”首席研究员奥利弗·派克告诉《大众科学》 。“到目前为止，使用两束高能光束使两个光子对撞的尝试还没有奏效，因为要产生探测该过程所需的密集而狭窄的能量光束非常困难。我们的方法与众不同。激光加热的黑腔已经使用了几十年，高强度激光已经能够将电子加速到产生光束所需的极高能量，这种技术已经使用了大约 10 年。我只是认为，以前没有人想过使用黑腔作为研究基础物理的工具。”

这并不是光第一次转化为物质：1997 年，斯坦福的线性对撞机采用了不同的过程，其中大量光子在高能电子束和电场的帮助下相互作用，电场提供碰撞光子产生物质粒子所需的能量。相比之下，伦敦帝国理工学院团队的实验利用的是两个碰撞光子本身的能量——这将是光首次在完全真空的环境中转化为物质，从而使该过程更容易观察。

“制造光子对撞机的想法一直受到物理学家们的关注，”派克说。“光子对撞机可以产生许多不同的粒子，因此这种对撞机可能用于以非常干净的实验方法研究基础物理学。它可以用作反物质源——例如，在 PET 扫描中很有用——因为会形成等量的电子和正电子，但还有比这更简单、更有效的方法来制造反物质。[该过程]的应用可能会在未来出现，但目前，这项实验的主要吸引力肯定是学术性的：首次观察一个非常简单的过程。”

虽然现代技术终于首次实现了布莱特-惠勒法，但派克表示，他们才刚刚开始触及该法的皮毛；随着激光的功率越来越大，科学家将能够产生更多不同的粒子，而不仅仅是正电子-电子对。他说，他们最初的发现虽然是偶然的，但最终却是一个不可避免的科学进步。

“这个过程有点奇怪，因为从理论上讲，它的有效性是毋庸置疑的，”他说。“只是过去我们没有任何方法来检测它，而密切相关的过程——比如电子和正电子湮灭成两个光子——几十年前就被观察到了。如果我们没有发表这项研究，我相信未来某个时候会有人努力去观察它。”