光能转化成物质吗

科学探索|发布日期:2017-08-08 17:39:00|编辑:小九怪事网

摘要据物理学家组织网站报道,伦敦帝国学院的物理学家们近日找到了如何将光转化为物质的方法——当大约80年前人们首次提出这一想法时曾普遍被认为这是不可能实现的。 在伦敦帝国学院布莱克特物理学实验室的一间小小办公室中,几杯咖啡的时间里,3位物理学家设计

据物理学家组织网站报道,伦敦帝国学院的物理学家们近日找到了如何将光转化为物质的方法——当大约80年前人们首次提出这一想法时曾普遍被认为这是不可能实现的。

在伦敦帝国学院布莱克特物理学实验室的一间小小办公室中,几杯咖啡的时间里,3位物理学家设计出了一种相对简单的方法来从物理上实现最早于1934年由布莱特(Breit)以及惠勒(Wheeler)提出的一项理论。

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布莱特和惠勒提出,如果将仅仅两个光的粒子(光子)压缩到一起,理论上应当可以将光转变为物质,因为这样做应该会产生出一个电子以及一个正电子,这是将光线转变为物质的最简单设想。计算显示这样做从理论上看是可能的,然而布莱特和惠勒表示他们从未设想有人能从物理上实现他们的这一设想。这一现象从未在实验室中被观察到过,并且过去曾经试图验证该理论的实验中都不得不加入额外的大质量高能粒子才能进行。

而在这一已经刊载于《自然-光子学》杂志上的最新研究中,研究人员首次证明布莱特和惠勒的理论是可以在实践中被检验的。其提出的通过“光子-光子”碰撞机制直接合成物质的理论可以借助现有技术实现,这将是一种全新的高能物理实验。这项实验将会重现宇宙诞生最初100秒内的情景,而在伽马射线暴中也能观察到类似现象,后者是宇宙中迄今已知能量最为强大的爆发,也是物理学上最大的未解之谜之一。

科学家们近期在火星第三大火山──阿尔西亚山的山麓上,发现了大型湖泊曾经存在的痕迹。该区域有望成为距今最近的一处或曾有生命栖息过的火星环境,这意味着,在2亿1千万年前恐龙出现于地球的时期,火星上亦可能有着活跃的生命迹象。

阿尔西亚山是火星第三大火山,高度为珠穆朗玛峰的2倍。从上世纪70年代开始,科学家就一直推测该山的西北麓曾为冰川覆盖,因其地貌特征与地球上南极洲的干谷有着惊人相似。后者由南极冰川的融化刻蚀而成。

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来揭秘吧报道,科学家们现在认为,火山爆发等热能运动融化了阿尔西亚山上的冰川,产生的大量液态水最终在其内部成为湖泊。在美国国家航空航天局(NASA)发布的照片上,人们能够清晰地看到水流冲刷留下的多条漫长河道。

据美国纽约布朗大学的研究人员计算,这些为冰川所包裹的湖泊,储蓄着数十万吨的液态水。而水的存在,一直被认为是生命出现的关键因素。“该发现最引人关注的地方在于──仅在不久之前,火星上竟然还存在产生水的途径。”布朗大学卡特·斯坎伦表示。

 

此次参与研究的这些科学家们此前所从事的都是与这一问题毫不相关的核聚变研究,然后他们突然意识到他们的专业知识可以被应用于布莱特·惠勒理论。在与一位来自德国马克斯普朗克核物理研究所的理论物理学家的合作之下,他们共同取得了这项突破性的进展。

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验证布莱特-惠勒理论将为解决一个物理学谜团加上最后一块缺失的零件,这一问题所描述的是光与物质之间相互反应的最简单形式。与这一问题有关的其他6个部分中还包括狄拉克在1930年提出的有关电子与正电子湮灭反应的理论,以及爱因斯坦在1905年提出的光电效应理论等等,这几项研究当时都获得了诺贝尔奖。

伦敦帝国学院物理系的史蒂夫·罗斯(Steve Rose)教授表示:“尽管所有物理学家们接受并认为这一理论是正确的。当布莱特和惠勒最初提出这一理论的时候也曾经表示并不指望能有一天将其在实践中进行验证。然而在80多年后的今天,我们已经证明这些说法都是错误的,这项理论是可以被在实践中进行验证的。

另外让我们感到惊奇的一点还包括,我们竟然可以用今天在英国现有的技术水平下实现从光线直接合成物质。由于我们是理论学家,因此我们现在正打算将我们的计划公之于众,以便其他人可以运用我们的设想来开展这项开拓性的实验。”

 

研究组提出的碰撞实验包含两个关键步骤。首先,科学家们将使用一束能量极高的激光来加速电子,使其速度达到接近光速的水平。随后他们将这些电子射入一个金箔,从而产生能量比可见光高出数十亿倍的光子束。

接下来,实验者将使用一个微型的黄金制作的容器,被称作“空腔”。科学家们将会使用一束高能激光轰击黄金容器的内壁,从而产生热辐射场,这种辐射与恒星产生的光有些类似。

随后研究者将会把第一阶段实验中得到的光子束引导通过容器中心,致使来自两个源的光子互相碰撞并形成电子与正电子。当这些粒子与容器发生反应时便可以探测到它们的存在。

这项研究的第一作者是目前正在攻读等离子体物理学博士学位的奥利弗·派克(Oliver Pike)。他说:“尽管这一理论理论上来说非常简单,但很难从实验上予以证明。

我们很快设计出了这项碰撞实验方案,并且这项方案实施起来相对容易,并且只需要用到现有的技术即可实现。在花费了数小时思考空腔在聚变能研究领域之外的可能用途时,我们突然意识到它可以提供用于光子对撞的绝佳条件。是时候开展这项实验了!”

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