E = mc². Det är en av de mest grundläggande och grundläggande ekvationerna genom astrofysiken. Men det gör mer än att antyda att massa och energi är sammankopplade, det innebär att ljus fysiskt kan omvandlas till materia.
Men kan det verkligen – fysiskt – göras? Forskare föreslog teorin för mer än 80 år sedan, men först idag har de banat väg för att göra denna omvandling rutinmässigt på jorden.
Konceptet kräver en ny sorts foton-fotonkolliderare. Det låter som science fiction, men det skulle kunna omvandlas till verklighet med befintlig teknik.
'Även om teorin är begreppsmässigt enkel, har den varit mycket svår att verifiera experimentellt,' sade forskaren Oliver Pike från Londons Imperial College i en pressmeddelande . 'Vi kunde utveckla idén till kollideraren mycket snabbt, men den experimentella designen vi föreslår kan utföras relativt lätt.'
1934 föreslog två fysiker Gregory Breit och John Wheeler att det skulle vara möjligt att förvandla ljus till materia genom att bara slå samman två fotoner, ljusets fundamentala partiklar, för att skapa en elektron och en positron. Det var den enklaste metoden att förvandla ljus till materia som någonsin förutspåtts, men den har aldrig observerats i laboratoriet.
Tidigare experiment har krävt tillsats av massiva högenergipartiklar. Vi har sett från utvecklingen av kärnvapen och fissionsreaktorer att en liten mängd materia kan ge en enorm mängd energi. Så det verkar som om Breit och Wheelers teori skulle kräva motsatt effekt: enorma mängder energi från fotoner för att ge en liten mängd materia.
Detta experiment kommer att vara det första eftersom det inte kräver tillsats av massiva högenergipartiklar. Det kommer att utföras enbart från fotoner.
Konceptet kräver att man använder en högintensiv laser för att snabba upp elektroner till strax under ljusets hastighet, och sedan krossa dem till en platta av guld för att skapa en stråle av fotoner som är en miljard gånger mer energisk än synligt ljus. Samtidigt skulle en annan laserstråle sprängas på en hohlraum - en liten guldbehållare som betyder 'tom burk' på tyska - som skulle skapa ett strålningsfält med fotoner som surrar inuti.
Den initiala fotonstrålen skulle riktas in i mitten av hohlraumen. När fotonerna från de två källorna kolliderar skulle en del omvandlas till par av elektroner och positroner. En detektor skulle sedan plocka upp signaturerna från materia och antimateria när de flög ut ur behållaren.
Teorier som beskriver ljus och materia interaktioner. Bildkredit: Oliver Pike, Imperial College London
'Inom några timmar efter att ha letat efter tillämpningar av hohlraums utanför deras traditionella roll inom fusionsenergiforskning, blev vi förvånade över att finna att de gav de perfekta förutsättningarna för att skapa en fotonkolliderare,' sa Pike. 'Kopplingen om att genomföra och slutföra experimentet är igång!'
Demonstrationen, om den genomfördes framgångsrikt, skulle vara en ny typ av högenergifysikexperiment. Det skulle komplettera fysikernas lista över de grundläggande sätten på vilka ljus och materia interagerar, och båda återskapa en process som var viktig 100 sekunder efter Big Bang och en process synlig i gammastrålningskurar, de kraftigaste explosionerna i kosmos.
De papper har publicerats i Nature Photonics.