Как превратить свет в материю?
Физики Имперского колледжа Лондона (Imperial College London) обнаружили способ превращения света в материю, процесс, который считался невозможным со времен, когда идея впервые была озвучена 80 лет назад.
В один прекрасный день, после нескольких чашек кофе, в маленьком офисе лаборатории отделения физики колледжа, три физика разработали сравнительно простой способ физически доказать теорию, предложенную впервые учеными Брейтом (Breit) и Уилером (Wheeler) в 1934 году.
Брейт и Уилер предположили, что должно быть возможно преобразовывать свет в материю, сталкивая между собой две частицы света (фотоны), для создания электрона и позитрона – самый простой метод преобразования света в материю, который когда-либо был предсказан. Расчет был произведен только в теории, как признались Брейт и Уилер, и конечно они не ожидали, что кто-то когда-либо продемонстрирует практическое подтверждение их теории. Такой эксперимент никогда не проводился в лабораториях, а ранние опыты требовали дополнительного применения высокоэнергетических частиц.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Photonics (рецензируемый научный журнал, издаваемый Nature Publishing Group), рассказывает, как впервые теория Брейта и Уилера может быть доказана на практике. Устройство, называемое «фотон-фотон коллайдер», которое будет преобразовывать свет непосредственно в материю, используя уже существующую технологию, станет новым типом физического эксперимента высокой энергии. Этот эксперимент воссоздаст важный процесс, который имел место в первые 100 секунд вселенной, а так же был отмечен при изучении всплесков гамма-излучения, которые вызваны самыми большими взрывами во вселенной и пока еще остаются наибольшей загадкой для физиков.
Ученые занимались исследованием проблемы, не связанной с термоядерной энергией, когда они поняли, что то, над чем они работают, может быть применено к теории Брейта-Уилера. Открытие было сделано в сотрудничестве с коллегой физиком из Института ядерной физики Макса Планка, который случайно посетил колледж.
Демонстрация теории Брейта-Уилера добавит недостающие части в эту физическую головоломку, которая описывает простейшие способы, в которых взаимодействуют свет и материя (изображение ниже).
Остальные шесть частей в этой головоломке, в том числе теория аннигиляции электронов и позитронов Дирака (Dirac's) 1930 года, теория фотоэффекта Энштейна 1905, все связаны с исследованием, принесшим автору Нобелевскую премию.
Профессор Стив Роуз (Steve Rose) с кафедры физики Имперского колледжа, сказал: «Несмотря на всех физиков, которые считали теорию Брейта-Уилера правдивой, когда Брейт и Уилер впервые предложили ее, они признались, что не ожидают, что теорию можно реализовать в лаборатории. Сегодня, почти 80 лет спустя, мы докажем, что они были не правы. Открытие того, как мы можем создавать материю непосредственно из света с помощью технологии, которая сегодня доступна нам в Великобритании, стало для нас полной неожиданностью. Поскольку мы, теоретики, сейчас ведем переговоры с теми, кто сможет использовать наши идеи для проведения этого эксперимента».
Эксперимент с колайдером, который предложили ученые, включает в себя два ключевых шага. Во-первых, ученые будут использовать очень мощный высокоинтенсивный лазер для ускорения электронов до скорости, чуть ниже скорости света. Затем они выстрелят этими электронами в золотую пластину, в результате чего будет получен пучок фотонов с энергией в миллиарды раз больше, чем у видимого света.
Следующий шаг эксперимента включает небольшую золотую емкость, называемую хольраум (hohlraum - в переводе с немецкого "пустая комната"). Ученные выстрелят сверхмощным лазером на внутреннюю поверхность этой емкости для получения теплового поля, излучающего свет, аналогичный по характеристикам свету, излучаемому звездами.
Затем, пучок фотонов, полученный на первом этапе эксперимента, будет направлен в центр емкости, заставляя фотоны с высокой энергией из двух источников сталкиваться и формировать электроны и позитроны. Отследить образование электронов и позитронов возможно в тот момент, когда они будут покидать емкость.
Ведущий исследователь Оливер Пайк (Oliver Pike), который в настоящее время защищает докторскую степень в области физики плазмы, говорит: «Хотя теория концептуально проста, ее очень трудно проверить экспериментально. Идея колайдера родилась очень быстро, но дизайн предложенного эксперимента предполагал лишь относительную легкость при применении существующей технологии.
Однако, всего несколько часов изучения примеров нестандартного применения хольраумов, выходящего за рамки их традиционной роли в изучении термоядерной энергии, мы были приятно удивлены, обнаружив, что они обладают набором характеристик, великолепно подходящим для создания фотонного колайдера. "Гонка" за проведения и завершения эксперимента продолжается».
---------