Materia Från Ljus. Fysiker skapar materia och antimateria genom att bara kollidera med fotoner.
1905 skrev Albert Einstein fyra banbrytande artiklar om kvantteori och relativitet. Det blev känt som Einsteins annus mirabilis eller underbara år. En var i brownisk rörelse, en gav honom Nobelpriset 1921, och en beskrev grunderna för speciell relativitet. Men det är Einsteins sista papper från 1905 som är det mest oväntade.
Tidningen är bara två sidor långa, och den beskriver hur speciell relativitetsteori kan förklara en märklig aspekt av radioaktivt sönderfall. Som Marie Curie mest kända visade kan vissa material som radiumsalter avge partiklar med mycket mer energi än vad som är möjligt från enkel kemi. Einsteins lilla papper spekulerade om överskottsenergin kan balanseras av en massaförlust av kärnpartiklarna. Denna idé ledde så småningom till Einsteins mest kända ekvation, E = mc2.
Pierre och Marie Curie i deras labb. 1904, författare okänd.
Denna ekvation tolkas ofta som att materia och energi är två sidor av samma mynt. Det betyder faktiskt att ett objekts skenbara massa och energi beror på en observatörs relativa rörelse, och på grund av detta är de två sammanflätade, liknande sambandet mellan rum och tid. Men en konsekvens av detta förhållande är att föremål under rätt omständigheter ska kunna producera energi via massaförlust.
Vi vet nu att detta är exakt vad som händer vid radioaktivt sönderfall. Effekten är också hur stjärnor skapar energi i sina kärnor via kärnfusion. Självklart, om materia kan bli energi, så borde det också vara möjligt för energi att bli materia. Det tricket är lite svårare, och det krävdes partikelacceleratorer för att få bort det. Nuförtiden gör vi det här hela tiden. Accelerera partiklar till nästan ljusets hastighet och slå ihop dem. Den stora skenbara massan av partiklarna frigör enorm energi, och en del av den energin ändras tillbaka till partiklar. All modern partikelfysik kan spåra sin historia till Einsteins tvåsidiga papper.
Två gammastrålefotoner kan bli materia. Kredit: Mathieu Michel Lobet
Men fysikens lagar säger inte bara att du kan skapa energi från materia och vice versa, det sätter specifika begränsningar för den skapade materiens och energins natur. Ett av de enklaste exemplen på detta är elektron-positronförintelse. Detta händer när en elektron kolliderar med sin antimateria-tvilling. De två partiklarna har samma massa, men motsatt laddning, så när de kolliderar producerar de två högenergifotoner. Elektronens och positronens massa omvandlas helt och hållet till energi. Detta experiment föreslogs först på 1930-talet, men det gjordes inte förrän 1970.
Om du kan omvandla materia helt och hållet till energi, borde du kunna göra det omvända. Det är känt som Breit-Wheeler-processen och innebär att två fotoner kolliderar för att skapa ett elektron-positronpar. Medan vi har använt ljus för att skapa materia flera gånger, är det mycket svårt att omvandla två fotoner direkt till materia. Men ett nyligen genomfört experiment visar att det kan göras.
Teamet använde data från Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) och tittade på mer än 6 000 händelser som skapade elektron-positronpar. De strålade inte bara två lasrar mot varandra utan använde istället högenergipartikelkollisioner för att skapa intensiva skurar av fotoner. I vissa fall kolliderade dessa fotoner för att skapa ett elektron-positronpar. Från datan kunde de visa när ett par skapades direkt från ljus.
Eftersom dessa parproduktioner inträffade i det intensiva magnetfältet visade teamet också en annan intressant effekt känd som vakuumdubbelbrytning. Normal dubbelbrytning uppstår när ljus delas upp i två strålar med olika polarisation. Denna effekt uppstår naturligt i material som t.ex Island spar. Med vakuumdubbelbrytning delas ljus som passerar genom ett intensivt magnetfält i två polarisationer, där varje polarisering tar en något annorlunda väg. Det är en fantastisk effekt om du tänker på det eftersom det betyder att du kan ändra ljusets väg i ett vakuum, med bara ett magnetfält. Vakuumdubbelbrytning har observerats i ljuset som kommer från en neutronstjärna, men detta är första gången som det har observerats i labbet.
Referens:Einstein, Albert. ' Beror en kropps tröghet på dess energiinnehåll? 'Annaler av fysik323,13 (1905): 639-641.
Referens:Sodickson, L., et al. ' Enkelkvantförintelse av positroner .'Fysisk granskning124,6 (1961): 1851.
Referens:Breit, Gregory och John A. Wheeler. ' Kollision av två ljuskvanter .'Fysisk granskning46,12 (1934): 1087.
Referens:Adam, Jaroslav, et al. ' Mätning av e+Och?Momentum och vinkelfördelningar från linjärt polariserade fotonkollisioner .'Fysiska granskningsbrev127,5 (2021): 052302.