Materia powstaje ze światła? Nareszcie znamy odpowiedź na to pytanie

W tym artykule:

1. Jak materia powstaje ze światła
2. Jak zrobić materię ze światła
3. To jeszcze nie jest kompletny dowód

Choć John Wheeler nigdy nie otrzymał Nagrody Nobla, był jednym z najsłynniejszych fizyków teoretycznych poprzedniego wieku. To on wymyślił, by niezwykłe obszary czasoprzestrzeni, z których nic nie może uciec, nazwać „czarnymi dziurami”. Inne użyteczne określenia, których jest autorem, to „tunel czasoprzestrzenny”, „piana kwantowa” i „moderator neutronowy”.

Zakrzywienie czasoprzestrzeni – skąd się bierze? Jak grawitacja wpływa na przestrzeń i czas

Teoria względności opracowana przez Alberta Einsteina przewiduje, że grawitacja to zakrzywienie czasoprzestrzeni. Każda masa zmienia trajektorię pobliskich ciał. Sprawia też, że w jej pobli...

Poza tym wkładem – nie tylko w fizykę, ale i kulturę – Wheeler ma na swoim koncie ważne prace dotyczące teorii unifikacji. A także opis pewnego procesu, który stworzył w 1934 r. razem z innym fizykiem Georgem Breitem. Ten proces, nazwany procesem Breita-Wheelera, uważany jest za jedną z najtrudniejszych teorii fizycznych do potwierdzenia eksperymentalnie. Nic dziwnego – opisuje bowiem, jak światło może zamienić się w materię, czyli krótko mówiąc: w jaki sposób materia powstaje ze światła.

Fizycy z Narodowego Laboratorium Brookhaven ogłosili jednak, że znaleźli dowód na jej potwierdzenie – eksperymentalny i ich zdaniem najmocniejszy ze wszystkich, jakie do tej pory udało się przedstawić. Ich pracę opublikowało czasopismo „Physical Review Letters”.

Jak materia powstaje ze światła

Proces Breita-Wheelera to teoria mówiąca, że jeżeli odpowiednio mocno zderzy się dwa fotony – czyli kwanty światła – to powstanie para elektron-pozyton – czyli materia i antymateria. To właśnie działo się przez pierwsze sto sekund po Wielkim Wybuchu: z chmury zderzających się wysokoenergetycznych fotonów zaczęły wyłaniać się pary cząstek i antycząstek.

Teoria opiera się na nieco wcześniejszych obliczeniach Paula Diraca i wynika z prac Einsteina. Ma więc bardzo mocne podstawy, jednak stanowi gigantyczne wyzwanie dla fizyków eksperymentalnych. Jak zaprojektować test, który by ją potwierdził? By to zrobić, potrzebne są odpowiednie fotony – fotony gamma z promieniowania gamma. Ich uzyskanie jest na razie niewykonalne, ponieważ nikt nie wpadł jeszcze na to, jak zbudować laser emitujący promieniowanie gamma.

W 2014 r. głośno było o koncepcji grupy fizyków z Imperial College London, którzy zaproponowali, by za pomocą zwykłego lasera rozpędzić elektrony do prędkości relatywistycznych (czyli bliskich prędkości światła) i skierować je na złotą płytkę. Miało to doprowadzić do emisji fotonów o odpowiedniej energii i ich zderzeń, w rezultacie których powinny powstawać pary elektron-pozyton. Koncepcję wieńczyła propozycja budowy zupełnie nowego typu zderzacza cząstek.

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven poszli jednak inną drogą – wykorzystali już istniejący zderzacz – Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – i wymyślili bardzo sprytny eksperyment.

Jak zrobić materię ze światła

Co Zderzacz Relatywistycznych Ciężkich Jonów ma wspólnego z fotonami? Urządzenie służy do przyspieszania jąder atomowych – czyli atomów „odartych” z elektronów – do gigantycznych prędkości. W tym przypadku użyto jonów złota, mających aż 79 protonów i duży ładunek dodatni.

Woda na Marsie – co się z nią stało? NASA: może być „uwięziona” w minerałach

Gdzie zniknęły oceany pokrywające niegdyś powierzchnię Czerwonej Planety? Rozwiązanie zagadki proponuje nowa teoria dotycząca geologii Marsa.

Jak to w zderzaczach, przyspieszono je do prędkości sięgającej 99,995 proc. prędkości światła. Jony złota zaczęły wówczas emitować pole magnetyczne, które przecinało się z polem elektromagnetycznym urządzenia. Ten proces zaowocował powstaniem fotonów. – Kiedy jony złota pędzą z prędkością bliską prędkością światła, pojawiają się fotony otaczające jądra atomowe niczym chmura – tłumaczy Zhangbu Xu, jeden z fizyków zaangażowanych w badania.

I tu wracamy do teorii Breita-Wheelera. Kiedy zdarzy się tak, że dwa jony złota miną się bardzo blisko, dwie chmury towarzyszących im fotonów wpadną na siebie i kwanty zaczną się zderzać. Tych zderzeń nie da się zarejestrować, ale pojawiające się w ich wyniku elektrony i pozytony – tak.

I tego właśnie udało się dokonać naukowcom z Laboratorium Brookhaven.

To jeszcze nie jest kompletny dowód

Niestety, zwycięstwo nie może zostać jeszcze odtrąbione, istnieje bowiem pewne „ale”. Otóż w opisanym procesie nie powstały prawdziwe fotony, tylko fotony wirtualne. Teoria Breia-Wheelera opisuje zaś zderzenia nie cząstek wirtualnych, tylko rzeczywistych.

I choć naukowcy z Narodowego Laboratorium Brookhaven skrupulatnie przyjrzeli się aż 6 tys. par elektronów i pozytonów, które udało im się wyprodukować, i stwierdzili, że odpowiadają parom, jakie powstałyby ze zderzenia fotonów rzeczywistych, nie jest to bezpośredni dowód poprawności teorii Breita-Wheelera.

– Nasz eksperyment dostarcza jasnego dowodu na bezpośrednie tworzenie się par cząstek materii i antymaterii, tak jak przewidzieli Breit i Wheeler – twierdzi jednak fizyk Daniel Brandenburg z Brookhaven. – Rezultaty były zgodne z procesem Breita-Wheelera – dodaje.

Nie ma wątpliwości, że fizycy będą dalej badać ten proces. Jego analiza może bowiem dostarczyć nowych informacji i o wysokoenergetycznych rozbłyskach gamma, i o początkach Wszechświata. Zaś wymyślenie urządzeń, które mogłyby ze światła tworzyć materię – i antymaterię na dodatek – mogłoby oznaczać skok technologiczny, jaki na razie w ogóle trudno sobie wyobrazić.

Źródło: ScienceAlert, Physical Review Letters

Interesujesz się kosmosem? Czytaj więcej:

Kosmiczny Teleskop Hubble’a działa już od 32 lat. Jakie odkrycia mu zawdzięczamy? Jaki teleskop ma go zastąpić?

Kosmiczny Teleskop Hubble’a świętuje 32 lata na orbicie oszałamiającym zdjęciem grupy pięciu galaktyk. Uwieczniono na nim trzy galaktyki spiralne, galaktykę eliptyczną i galaktykę soczew...

Czy Ziemia jest płaska? 10 dowodów obalających ten mit

Przedstawiamy mocne argumenty do dyskusji z pseudonaukowcami, którzy wierzą, że Ziemia jest płaska.

Planety z atmosferą. Skąd się bierze atmosfera, czy planeta może ją stracić i uzyskać nową?

Naukowców interesują planety z atmosferą, ponieważ jest ona niezbędna istotom żywym. Okazuje się, że planeta może stracić atmosferę, a potem ją odzyskać. Egzoplaneta GJ 1132 b, oddalon...