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科學家利用雷射模擬產生物質，讓愛因斯坦的方程式E=mc²變得看得見摸得著


由大阪大學和加州大學聖地亞哥分校的研究人員領導的一個研究小組，利用模擬實驗證明了如何在實驗中僅用光就能產生物質，這在未來可能有助於檢驗關於宇宙組成的長期理論。量子物理學最驚人的預言之一就是物質可以完全由光（即光子）產生，事實上，被稱為脈衝星的天體就實現了這一壯舉。以這種方式直接生成物質還沒有在實驗室中實現過，但這將有助於進一步檢驗基礎量子物理學理論和宇宙的基本構成。


在最近發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）上的一項研究中，大阪大學研究人員領導的研究小組僅通過雷射就模擬出了光子-光子碰撞的條件。由於設定簡單，而且易於在現有雷射強度下實現，因此有望在不久的將來進行實驗。

理論上，光子-光子對撞是宇宙中產生物質的基本手段，它源於愛因斯坦著名的方程式E=mc²。事實上，研究人員已經間接地從光中產生了物質：透過高速加速金等金屬離子相互碰撞。在如此高的速度下，每個離子都被光子包圍，當相互擦過時，就會產生物質和反物質。

然而，在現代實驗室中，僅利用雷射產生物質是一項挑戰，因為需要使用極高功率的雷射。模擬如何在實驗室中實現這一壯舉可能會帶來實驗上的突破，因此這正是研究人員著手進行的工作。

「模擬實驗證明，當與雷射器的強電磁場相互作用時，緻密電漿體可以自組織形成光子-光子對撞機，」該研究的第一作者杉本博士解釋說。「這個對撞機包含密集的伽馬射線群，其密度是電漿體中電子密度的十倍，其能量是雷射器中光子能量的一百萬倍。」

由強雷射脈衝驅動的自組織光子對撞機（a）電漿體密度，（b）磁通道，（c）發射光子的角度分佈。來源：《物理評論快報》
▲ 由強雷射脈衝驅動的自組織光子對撞機（a）電漿體密度，（b）磁通道，（c）發射光子的角度分佈。來源：《物理評論快報》

對撞機中的光子-光子對撞會產生電子-正電子對，雷射產生的電漿體電場會加速正電子。這就產生了正電子束。

「這是首次模擬在相對論條件下從線性佈雷特-韋勒過程中加速正電子，」加州大學聖地亞哥分校的合著者阿雷菲耶夫教授說。「我們認為我們的建議在實驗上是可行的，我們期待著在現實世界中付諸實施。」

支援這項工作的美國國家科學基金會項目主任維亞切斯拉夫·盧金（Vyacheslav Lukin）博士說：「這項研究展示了在實驗室環境中探索宇宙奧秘的潛在途徑。今天和未來的高功率雷射設施的未來可能性變得更加引人入勝。」

這項工作在《星艦迷航》中虛構的物質-能量轉換技術中的應用仍然只是虛構。不過，這項工作有可能有助於透過實驗證實宇宙構成理論，甚至可能有助於發現以前未知的物理學。

參考文獻：K. Sugimoto、Y. He、N. Iwata、I-L. Yeh、K. Tangtartharakul、A. Arefiev 和 Y. Sentoku，2023 年 8 月 9 日，《物理評論快報》。