據(jù)愛因斯坦的方程E=mc?，能量即物質(zhì)。遺憾的是，物理學(xué)家一直以來未能觀察到能量向物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。如今，一場實驗即將創(chuàng)造歷史！

把光轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，這是科幻小說里常見的創(chuàng)造物質(zhì)的方式，當(dāng)然在現(xiàn)實中，物理學(xué)家仍無法實現(xiàn)這個愿望。

不過，這個夢想應(yīng)該離我們不太遙遠了，因為一個核物理專家小組設(shè)計了一個轉(zhuǎn)化實驗。理論上，把光轉(zhuǎn)化成物質(zhì)已經(jīng)成為可能。

如何實現(xiàn)？讓兩個光子在真空中互相碰撞，這樣就可以用純粹的能量創(chuàng)造出物質(zhì)。

這一夢想，物理學(xué)家已追逐了80年。

“這是光與物質(zhì)相互作用的量子理論中，未能在實驗中證實的基本過程。”實驗設(shè)計師、德國馬普核物理研究所的費利克斯·馬肯羅特（Felix Mackenroth）解釋道。

事實上，美國物理學(xué)家喬治·布雷特（Gregory Breit）和約翰·惠勒（John Wheeler）早在1934年便描述了這個現(xiàn)象，但它隨后便一直處于有待實驗驗證的狀態(tài)。

愛因斯坦1905年提出方程E=mc?，明確指出質(zhì)量和能量之間的等價關(guān)系，可用于計算核裂變所釋放的能量，非常有用；而量子物理則描述了物質(zhì)粒子和光子間的各種相互作用，如：導(dǎo)體與光子碰撞會釋放出電子，物質(zhì)粒子與反物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生光，光子靠近原子核轉(zhuǎn)變成物質(zhì)粒子……

問題出在質(zhì)能方程

物理學(xué)家會對這些理論描述逐一進行實驗驗證。一切都相對順利，直到他們遭遇布雷特-惠勒過程（Breit-Wheeler process），該過程描述了光子如何在真空中碰撞，從而創(chuàng)造出物質(zhì)。

布雷特-惠勒過程

在所有的基本相互作用中，只有這個相互作用遲遲未能在實驗室中被直接觀測到。事實上，就連布雷特和惠勒本人都對此抱有懷疑。

原因就在于E=mc?。

愛因斯坦的質(zhì)能方程是一切問題的根源，它指出，一個質(zhì)量為m的物質(zhì)相當(dāng)于一個能量為E的純能量體，即能量為E的光子，兩者自然能夠自由轉(zhuǎn)化。

只是，如果把能量E轉(zhuǎn)化成有質(zhì)量的物質(zhì)，那么其質(zhì)量為E除以c^2，c^2就是光在真空中傳播速度的平方（9×10^16米2/秒^2）。

“c^2是一個非常大的數(shù)，”在倫敦帝國學(xué)院開展此項研究的奧利弗·派克（Oliver Pike）強調(diào)，“這就是為什么哪怕制造一丁點兒物質(zhì)都需要極其巨大的能量。”

在從m轉(zhuǎn)變到E的過程中，這個龐大的系數(shù)體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，它使得物質(zhì)可以在一定條件下自發(fā)轉(zhuǎn)變成光：1千克物質(zhì)釋放的能量相當(dāng)于2200萬噸當(dāng)量。然而，若要進行逆向操作，也就是讓能量轉(zhuǎn)變成物質(zhì)時，這個系數(shù)就成為一道難以逾越的屏障。

一個簡單的金質(zhì)圓柱體

難以逾越？那是因為沒有使用環(huán)空器。

在核物理中用于把能量聚集起來、可引發(fā)融合聚變反應(yīng)的環(huán)空器是一個金質(zhì)圓柱形裝置，有一個直徑為數(shù)毫米的小孔（本實驗的小孔直徑為5毫米），以便讓物質(zhì)粒子和光子通過。

而奧利弗·派克團隊的妙策在于，改變這一設(shè)備的用途，把它當(dāng)作一個真空爐，迫使光子在其中彼此靠近，直至創(chuàng)造出物質(zhì)。

“這個想法源自一次有關(guān)環(huán)空器潛在應(yīng)用的頭腦風(fēng)暴，”奧利弗·派克回憶道，“當(dāng)時我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，環(huán)空器能提供令光子對撞的理想環(huán)境。”

據(jù)研究人員計算，把能量*的光子（伽馬光子）放進環(huán)空器，使它們與用超大功率激光加熱產(chǎn)生的能量較低的光子兩兩相撞，即可在環(huán)空器的另一端生成正負電子對，也就是物質(zhì)。

在該實驗中，環(huán)空器同時扮演著兩個角色。

“一方面，它把入射的伽馬光子限制在一個有限的空間中，增加了光子碰撞的概率；另一方面，這種技術(shù)可以制造出能量足夠高的熱輻射光子。”倫敦帝國學(xué)院研究小組的史蒂文·羅斯（Steven Rose）解釋道，“互相碰撞的兩個能量的總和因此將達到正負電子對質(zhì)量與c^2的乘積。”

由此，一個簡單小巧的金屬腔體便能完成迄今只有宇宙在大爆炸后數(shù)秒、光能四射時創(chuàng)造過的奇跡。核物理學(xué)家也因此可以比粒子物理專家搶先一步觀察到量子理論中個未被實驗證實的基本相互作用。

可靠的實驗方法

倫敦帝國學(xué)院的研究人員并不滿足于設(shè)計實驗流程，他們已經(jīng)完成了虛擬實驗。為此，他們首先把實驗分成三個熟知且可控的環(huán)節(jié)：先制造伽馬光子，然后在環(huán)空器中制造熱輻射光子，最后通過碰撞創(chuàng)造出物質(zhì)粒子。

他們?yōu)檫@三個階段分別建立了理論模型，然后用計算機程序進行模擬，所采用的運算方法則直接借鑒自核物理研究。

“1940年代末設(shè)計時，研究人員就已經(jīng)開始對此類連鎖效應(yīng)進行模擬了。”法國魯昂大學(xué)建模與模擬專家弗蘭克·瓦雷納（Franck Varenne）介紹道。

這種方法由來已久，所以可靠性*。“我們可以把研究人員的模擬實驗當(dāng)成‘準實驗’，它有時候比真正的實驗更有價值。”弗蘭克·瓦雷納透露，“例如，對飛機進行模擬測試比進行數(shù)千小時飛行實驗更可靠。”

夢想即將成為現(xiàn)實。但鑒于這一課題的重大意義與實驗方式的*性，粒子物理學(xué)家拒絕予以評論。他們期待眼見為實……

這一天或已不遠。奧利弗·派克的研究團隊已開始游說一家擁有所需裝備的實驗室。史蒂文·羅斯透露，只有3臺激光器擁有足夠的功率可以進行這個實驗：美國國家點火裝置，法國兆焦耳激光器（LMJ）和英國獵戶座激光器。

美國國家點火裝置

法國兆焦耳激光器

英國獵戶座激光器

實驗之后，那個精巧的小裝置或許還能派上更大用場……

“目前最重要的是先要觀察到這種轉(zhuǎn)化。”奧利弗·派克表示，“不過光子碰撞或許會生成大量其他粒子，帶來新的認識，甚至令人耳目一新的發(fā)現(xiàn)。”就讓我們拭目以待吧。