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两个光粒子对撞可以用来缔造物质与反(fan)物质对。

布鲁克海文国家实验室的STAR探测器探测到由光线相撞发生的成对的物质和反物质。(图片‘pian’泉源:布鲁克海文国家实验室)

爱因斯坦最『zui』著名的方程式之 zhi[一显示出惊人魔力,物理学家们示意他们首次从光中制造出了物质。

凭证阿尔伯特爱因斯坦著名的质能方程,若是让两个能量足够大的光子对撞,有可能缔造出物质:一个电子和它的反物质,正电子。

这个物理历程在1934年被美国的物理学家Gregory Breit和 he[John Wheeler首次形貌出来,但耐久以来却是最难在物理上考察的。主要缘故原由在于,介入碰撞的光子必须是高能伽马射线,然而那时“shi”的科学家们还无法制造出伽马射线激光。其他的替换实验可以从多个光子中缔造出物质,然则一对一的光子碰撞却还没有缔造出物质来证实这个效应。

不外,来自‘zi’纽约布鲁克海文国家实验室的研究者们发现了其他的设施。行使实验室的RHIC(相对论重离子碰撞)机械,他们可以举行一种亲热相符这种奇异的转化反映的丈量。

布鲁克海文实验室的物理学家许长补说,"在他们的论文中,Breit 和 Wheeler已经意识到这基本是不能能观察到的,那时刻连激光器都没有!但他们提出 chu[了另一种方案:加速重离子。我们现在在RHIC举行的研究就是用了这种方式。"

许长补注释道,研究职员没有直接加速光子,而是在环状加速器中加速了两个离子(去掉了电子的原子核,带有正电荷),然后让它们近距离相互飞越。由于这些离子是异常靠近光速运动的带电粒子,它们自己也带有电磁场,这个电磁场中则有一堆并不真实存在的“虚光子”,像云“yun”团一样与离子一起航行。

虚粒子是一些存在时间极短的粒子,由实粒(li)子之间的场的扰动发生,它们的质量与对应的实粒子也纷歧定差异(好比实光子质量为零,虚光子则可能拥有非零质量)。在这〖zhe〗个实验中,当两个离子 zi[近距离飞越对方,它们自身的虚光子云移动的也异常快,以至于看起“qi”来像实粒子一样。这些像实粒子一样的虚粒子相撞则会发生‘sheng’可以探测到的电子-正电「dian」子对。

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为了尽可(ke)能真「zhen」实地考察Breit-Wheeler历程,物理学家必须确保这些虚光子与实粒子有相同的行为。为了检查这一点,他们要丈量实验中天生『sheng』的6000多个电子-正电子对之间的夹角。

当两个实粒子相撞{zhuang}时,次“ci”级产物的角度与两个虚粒子相撞差异。但在这个实验中,虚粒子次级产物的角度与实粒子次级产物相同。以是研「yan」究者可以确认他们看到的粒子的行为确实与实粒子相同,他们乐成地展示了Breit-Wheeler历程。

研究职员同样丈量了系统的能量和质量漫衍。“它们与真实的光子会发生什么的理论“lun”盘算相符”,一位布鲁克海文的物理学家Daniel Brandenburg在声明中如是说。

然而,只管它们显示得像 xiang[实粒子,但不能否认的是实验中使用的虚光子依然是虚拟的。这引起了一“yi”个疑问,即这个实『shi』验是否为布莱特-惠勒历程的真实展示。但无论若何,这仍‘reng’然是在物理学‘xue’家开发出足够强的激光器来展示与真实光子的历程前主要的第一步。

相关知识

在物理学中,质能等效是指静止参考系中质量和能量的等价关系[1][2],而他们在数值和单「dan」元上是差其余。该原理可由物理学家爱因斯的著名公式来形貌[3]:质能方程E=m,c^2

该公式将粒子在其静止参考系中的能量 E 界说为质量 (m) 与光速平方 (c^2) 的乘积。由于光速在一样平常单元下是一个很大的数值(约莫3*10^8米/秒),这个公式指出很小的静止质量便对应了伟大的能量,而与物体的组成因素无关。静止质量又称为稳固质量,是系统静止时测得的质量。它是一个与「yu」动量无关的基础物理属性,纵然(ran)在靠近光速的极端速率下也 ye[保持稳固(即它的值在所有惯性参考系中都是相同的)。

无质量粒子(例如光子)的稳固质量为零,但它‘ta’们(无质量的自由粒子)也具有动量和能量。质能等价性原理指出当能量在化学反映、核反映和其他能量转化历程中损失时,系统也会损失〖shi〗响应巨细的质量。能量 liang[和质量可以通过辐射的形式释放到环境中,好比以光和热量的形式。该原理(质能等价性原理)是包罗核物理学和粒子物理学在内的许 xu[多物理学领域的基础。

质能等价泉源于狭义相对论,被法国学者庞加莱以为是一个悖论。爱因斯坦首先提【ti】出质量和能量等价的看(kan)法,并以为这种等价性是空间和时间对称性的普遍原理和效果。1905 年 11 月 21 日,该原理首次泛起在他的事业年论(lun)文之一――“物体的惯性取决于它的能量含量吗?”中。

该公式及其与动量的关系(能量-动量关系)厥后由 you[其他物理学家们继续生长起来。(注:事业年,事业年论文(Annus mirabilis papers)指的是阿尔伯(bo)特・爱因斯坦在公元1905年在德‘de’国科学期刊《物理年鉴》所揭晓的四篇论文‘wen’。这四篇论文推进了近代物理学的基础,而且让人重新明白空间、时间、质量与能量。公元1905年也因此被称为爱因斯坦事业年。)

BY: Ben Turner

FY:Astronomical volunteer team

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