Zauważono zderzające się fotony tworzące materię. Ale czy fotony są „prawdziwe”?

Zderzając światło ze światłem i puf, dostajesz materię i antymaterię. Brzmi to jak prosty pomysł, ale okazuje się zaskakująco trudny do udowodnienia.

Zespół fizyków twierdzi teraz, że jest to pierwsza bezpośrednia obserwacja długo oczekiwanego procesu Breita-Wheelera, w którym dwie cząstki światła lub fotony zderzają się ze sobą i wytwarzają elektron i jego odpowiednik z antymaterii, pozyton. Ale podobnie jak dyskusja z kursu wprowadzającego do filozofii, znaczenie wykrywania zależy od definicji słowa „rzeczywisty”. Niektórzy fizycy twierdzą, że fotony nie kwalifikują się jako rzeczywiste, co rodzi pytania o implikacje obserwacji.

Przewidywany ponad 80 lat temu proces Breita-Wheelera nigdy nie był bezpośrednio obserwowany, chociaż naukowcy zaobserwowali podobne procesy, takie jak rozpraszanie światła od światła. Nowe pomiary z eksperymentu STAR w Brookhaven National Laboratory Relativistic Heavy Ion Collider pasują do przewidywań nieuchwytnej transformacji, donosi fizyk z Brookhaven Daniel Brandenburg.

„Pomysł, że można tworzyć materię ze zderzenia światła, jest ciekawą koncepcją”, mówi Brandenburg. To uderzająca demonstracja fizyki uwiecznionej w równaniu Einsteina E=mc2, które ujawniło, że energia i masa to dwie strony tej samej monety.

To, czy obserwacja naprawdę się kwalifikuje, zależy od tego, czy fotony są uważane za „rzeczywiste”, zgodnie z wymaganiami procesu Breita-Wheelera, czy „wirtualne”. W fizyce cząstek wirtualnych cząstki wirtualne to takie, które pojawiają się tylko na krótkie chwile i nie niosą swoich normalnych mas.

Fizycy zgadzają się, że fotony ze zwykłego źródła światła, takiego jak żarówka czy laser, są prawdziwe. Ale bona fides fotonów Brandenburgii i kolegów jest przedmiotem debaty. Dzieje się tak, ponieważ światło, w którym zderza się zespół, pochodzi z nietypowego źródła.

W Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów jądra atomowe przemieszczają się z prędkością bliską prędkości światła, zanim zderzają się ze sobą. Te szybkie jądra są otoczone polami elektromagnetycznymi, z którymi związane są fotony. Zwykle takie fotony z pól elektromagnetycznych są wirtualne. Ale w eksperymencie fotony zachowują się tak, jakby były rzeczywiste ze względu na duże prędkości, z jakimi oba jądra przesuwają się wzdłuż.

Nowe dowody na proces Breita-Wheelera pochodzą z kolizji, w których jądra po prostu minęły się ze sobą. W takich przypadkach pola elektromagnetyczne obu jąder nakładają się i dwa fotony z tych pól mogą się zderzyć. Dlatego badacze szukali obiektów bliskich chybieniu, które wypluwały jeden elektron i jeden pozyton.

Ale, jak mówi współautor badań Zhangbu Xu, fizyk również z Brookhaven w Upton w stanie Nowy Jork, „problem polega na tym, jak faktycznie mówisz, że pochodzą one z prawdziwych fotonów, a nie z innych procesów”. Aby potwierdzić, że cząstki pochodzą z prawdziwych fotonów, naukowcy zbadali kąty między tymi cząstkami, które różnią się w zależności od tego, czy zderzają się rzeczywiste, czy wirtualne fotony. Kąty odpowiadały oczekiwaniom dotyczącym prawdziwych fotonów, co sugeruje, że zespół widział legalny proces Breita-Wheelera.

Mimo to, „ściśle mówiąc”, mówi fizyk cząstek Lucian Harland-Lang z Uniwersytetu Oksfordzkiego, eksperyment jest „trochę oddalony o jeden krok” od prawdziwego procesu Breita-Wheelera. Chociaż fotony zachowują się prawie tak, jakby były prawdziwe, technicznie są wirtualne.

Brandenburg i jego koledzy mają inny pogląd, podobny do klasycznego testu na kaczki z fizyki: jeśli chodzi jak kaczka i kwaka jak kaczka, to prawdopodobnie jest to kaczka. Jeśli rzeczywistość fotonu opiera się tylko na tym, jak się zachowuje, to byłyby to prawdziwe fotony.

Potwierdzają to pomiary naukowców, mówi fizyk plazmy laserowej Stuart Mangles z Imperial College London, który nie był zaangażowany w nowe badania: „Wszystko, co mierzą, sprawia, że ​​wygląda to jak prawdziwy foton”. Jednak Mangles zauważa, że ​​fotony są nadal wirtualne według niektórych definicji: w przeciwieństwie do zwykłych fotonów, które nie mają masy, te fotony mają masę.

Jednym ze sposobów na ominięcie drażliwych pytań o definicję rzeczywistości byłoby przeprowadzenie tego eksperymentu z bezdyskusyjnie rzeczywistymi fotonami. Mangles i inni pracują nad wykryciem procesu Breit-Wheeler za pomocą laserów, które wytwarzają światło tak rzeczywiste jak światło, które pozwala przeczytać ten artykuł. Fizycy mają nadzieję, że przesądzi to o zderzeniu materii wytwarzającej światło.

Share