一个物理实验，证实了两个80多年前的预测

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主，题图来自：pixabay

一

1934年，格雷戈里·布雷特（Gregory Breit）和约翰·惠勒（John Wheeler）预测，当两个光子相碰时，有可能产生一个电子和一个正电子。根据爱因斯坦著名的质能方程，E=mc²，我们知道能量和物质是可以互换的。例如，在太阳和核电站的核反应中，就可以看到物质转化为能量的普遍发生。然而，物理学家发现，要让一对光子转化为物质-反物质对却出乎意料地困难。

一直以来，科学家从未直接观测到过这种现象。直到最近，一个国际研究团队利用相对论性重离子对撞机（RHIC），对高能光子对撞所产生的6000多对电子和正电子进行了详细分析，证明了他们可以只通过一个单一的步骤就将光直接转化为物质，为布雷特和惠勒的预测提供了首个证据。

不仅如此，他们的研究还证实了另一个重要的预测。1936年，维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）和汉斯·海因里希·欧拉（Hans Heinrich Euler）提出，强大的磁场可以使真空极化，而且这种极化的真空能够根据光子的偏振改变光子的路径。现在，新的研究也首次在实验中证实了这种现象。

这两个结果都得益于RHIC的STAR探测器对接近光速运动的金离子在撞击时产生的粒子的角度分布的测量。研究人员将他们的结果发表在了近期的《物理评论快报》上。

 RHIC的STAR实验。｜图片来源：BNL

二

一直以来，由于技术上的限制，物理学家难以证实布雷特和惠勒的预测到底是不是真的。从早期的论文中可以看出，布雷特和惠勒本人对此并不乐观，他们认为这是几乎不可能做到的事。那时，激光尚未被发明出来。不过，布雷特和惠勒提出了一个探测方案，他们认为使用加速的重离子或许可以探测到这一现象——而这种方法正是研究人员在新实验中所做的。

离子可被看作是一个剥离了电子的裸露着的原子。在实验中，研究人员使用的是具有79个质子的带有正电荷金离子。当这样一个带电的重离子被加速到非常高的速度时，它的周围会产生一个强大的环形磁场。如果离子的运动速度足够高，那么磁场的强度可以与垂直于它的电场强度相等，而这种电场和磁场相互垂直、强度相等的排列方式，恰恰与光子的特征相符。所以，当离子以接近光速移动时，就会有一群光子围绕在金核周围，它们像随着金核一起移动的云一样。

 两个金（Au）离子（红色）以99.995%的光速（v）朝着相反的方向移动。当离子相互经过而不发生碰撞时，离子周围电磁云的两个光子（γ）就可以相互作用，形成一个电子（e⁻）和一个正电子（e⁺）。｜图片来源：BNL

在RHIC，科学家用两个加速器环将金离子加速到光速的99.995%，制造出的两个金离子分别以足够的能量和强度朝着相反方向移动。当两个离子彼此擦过而不发生碰撞时，围绕在离子周围的光子就可以发生相互作用。

研究人员仔细追踪了这些相互作用，并试图从中寻找预测中的电子-正电子对。在布雷特和惠勒预测的过程中，一个重要的前提是——产生了电子-正电子对的光子必须是“真实”的，而不是“虚拟”的。这也是研究人员在寻找电子-正电子对的过程中所必须克服的一个关键难点，因为RHIC中的一系列过程都可以产生电子-正电子对，其中就包括“虚”光子（一种短暂存在并携带有效质量的光子状态）。

由虚光子产生的电子-正电子对的角度分布模式与由真实光子产生的是不同的。因此，为了确保电子-正电子对的确是由“真实”的光子产生的，研究人员分析了每个电子相对于与其对应的正电子的角度分布模式，他们还测量了系统中的所有能量、质量分布和量子数。分析结果表明，他们的实验证实了布雷特和惠勒最初的预测。

除此之外，新研究也证实了海森堡和欧拉在80多年前的预测。由于STAR能够测量电子和正电子所发生的微小偏转，因此它也可以被用来研究光子如何与由加速离子产生的强大磁场的相互作用。

 图中显示了不同偏振方向（黑色箭头）的光如何沿着两条不同路径（黄色）穿过一种材料，这种现象被称为双折射效应。｜图片来源：BNL

这种与偏振相关的路径偏转被称为双折射，其实当光通过某些晶体时，就会出现这种现象。最近有报道称，一颗中子星发出的光也会以这种方式弯曲，可能是因为它与恒星磁场的相互作用。但是，物理学家还没有在实验中检测到这种真空双折射。

在新的研究中，研究人员将一束金离子周围的光子云射入另一束金离子加速产生的强圆形磁场中，被吸收的光转化成了电子-正电子对。当研究人员在观察这些由于光子-光子相互作用所产生的粒子时，他们看到这些粒子的角度分布取决于光的偏振角度。这表明了真空中光的弯曲与光的偏振有关。

三

这两项发现都是基于20世纪早期的一些伟大物理学家的预测。现代物理学家基于一些新的实验技术和分析技术，让这些测量终于得以实现。

在过去的一些其他研究中，有科学家曾试图利用激光的强光束的碰撞来创造电子-正电子对。比如1997年，SLAC国家加速器实验室的一项实验通过非线性过程获得了成功，当时，科学家首先通过与强大的电子束发生碰撞来提高一束激光中的光子的能量；然后在另一种激光产生的巨大电磁场中，能量得到了增强的光子与多个光子同时碰撞，从而产生了物质和反物质。而新的研究则通过光的碰撞，只通过一步就直接产生了物质-反物质对。

然而，也有物理学家认为，实验中的光子是否可以被认作为是“真实”的还有待商榷。比如牛津大学的粒子物理学家Lucian Harland-Lang在接受《科学新闻》的采访时表示，这个实验离真正的布布雷特-惠勒过程“只有一步之遥”，因为尽管实验中的光子的行为几乎像是真实的，但它们在技术上是虚拟的。

不过，伦敦帝国理工学院的激光等离子体物理学家Stuart Mangles则认为，新研究中的测量结果都支持这些光子是“真”的这一点，因为所有的测量都表明，它在本质上就是一个真正的光子。

或许在未来，物理学家可以尝试采用毫无争议的真实光子来进行这个实验，以此来完全绕开对于光子的“真实性”的定义之争。现在，一些物理学家正着手于用激光来探测布雷特-惠勒过程，希望很快我们就能看到新的进展。

参考来源：

https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=119023 

https://www.sciencenews.org/article/colliding-photons-matter-particle-physics

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.052302

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