Ученые экспериментально доказали, что можно получить материю из энергии

Хотя Джон Уилер никогда не получал Нобелевской премии, он все же был одним из самых известных физиков-теоретиков прошлого века.

Ученые экспериментально доказали, что можно получить материю из энергии
© symmetrymagazine.org

Именно он изобрел те необычные области пространства-времени, из которых ничто не может вырваться, называемые «черными дырами». Другие полезные термины этого автора включают «червоточину», «квантовая пена» и «замедлитель нейтронов».

Помимо своего вклада — не только в физику, но и в культуру — Уилер сделал важную работу по теории объединения. А также описание процесса, который он создал в 1934 году вместе с другим физиком Джорджем Брейтом. Этот процесс, называемый процессом Брейта-Уиллера, считается одной из самых сложных физических теорий для экспериментального подтверждения. Неудивительно — он описывает, как свет может превращаться в материю.

Однако физики из Брукхейнвенской национальной лаборатории только что объявили, что нашли доказательства, подтверждающие это — экспериментальные и, по их мнению, самые мощные из всех, что были представлены до сих пор. Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Как материя состоит из фотонов

Процесс Брейта-Уиллера — это теория, согласно которой, если два фотона сталкиваются достаточно сильно, то есть кванты света, то будет создана электронно-позитронная пара, то есть материя и антивещество. Это то, что произошло в первые сто секунд после Большого взрыва: пары частиц и античастиц начали появляться из облака сталкивающихся фотонов высоких энергий.

Теория основана на несколько более ранних расчетах Поля Дирака и выводится из работы Эйнштейна. Так что у него очень прочная основа, но это гигантский вызов для физиков-экспериментаторов. Как разработать тест, который подтвердил бы это? Для этого нужны соответствующие фотоны — гамма-фотоны от гамма-лучей. Получить их пока не представляется возможным, так как никто еще не придумал, как построить гамма-лазер.

Ученые экспериментально доказали, что можно получить материю из энергии
© vecteezy.com

В 2014 году много говорилось об идее группы физиков из Имперского колледжа Лондона, которые предложили использовать обычный лазер для ускорения электронов до релятивистской скорости (то есть близкой к скорости света) и прямого их к золотой пластине. Это должно было привести к испусканию фотонов соответствующей энергии и их столкновению, в результате чего должны были образоваться пары электрона и позитрона. Венцом концепции стало предложение создать коллайдер частиц совершенно нового типа.

Однако ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории пошли другим путем — они использовали уже существующий коллайдер – Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) — и придумали очень умный эксперимент.

Как сделать материю из света

Какое отношение имеет релятивистский коллайдер тяжелых ионов к фотонам? Устройство используется для ускорения атомных ядер, то есть атомов, «лишенных» электронов, до гигантских скоростей. В этом случае использовались ионы золота с 79 протонами и большим положительным зарядом.

Как и коллайдеры, они были разогнаны до релятивистских скоростей. Затем ионы золота начали излучать магнитное поле, которое пересекалось с электромагнитным полем устройства. Этот процесс привел к образованию фотонов.

«Когда ионы золота устремляются со скоростью, близкой к скорости света, фотоны появляются вокруг ядер, как облако», — объясняет Чжанбу Сюй, один из физиков, участвовавших в исследовании.

Здесь мы возвращаемся к теории Брейта-Уиллера. Когда два иона золота проходят очень близко, два облака сопутствующих фотонов сталкиваются, и кванты сталкиваются. Эти столкновения не могут быть зарегистрированы, но возникающие в результате электроны и позитроны регистрируются. И это то, что удалось сделать ученым из Брукхейвенской лаборатории.

Это еще не полное доказательство

К сожалению, одержать победу пока нельзя, есть определенное «но». Что ж, в описанном процессе были созданы не настоящие фотоны, а виртуальные фотоны. Теория Брейя-Уиллера описывает столкновения реальных частиц, а не виртуальных.

Ученые экспериментально доказали, что можно получить материю из энергии
© universetoday.com

И хотя ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории скрупулезно изучили аж 6000 пар электронов и позитронов, которые им удалось создать, и обнаружили, что они соответствуют парам, которые возникнут в результате столкновения реальных фотонов, не являются прямым доказательством истинности теории Брейта-Уиллера.

«Наш эксперимент предоставляет четкое свидетельство прямого спаривания частиц вещества и антивещества, как это было предсказано Брейтом и Уилером, — говорит физик Даниэль Бранденбург из Брукхейвена. — Результаты соответствовали процессу Breit-Wheeler», — добавляет он.

Нет сомнений в том, что физики будут исследовать этот процесс и дальше. Его анализ может предоставить новую информацию о всплесках гамма-излучения высоких энергий и о происхождении Вселенной. А изобретение устройств, которые могли бы создавать материю из света — и в дополнение к антивеществу — могло бы стать технологическим скачком, который пока невообразим.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Закрепите на Pinterest