Η διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν χρησιμοποιείται για πρώτη φορά για τη δημιουργία ύλης από το φως

Ομάδα φυσικών ισχυρίζεται ότι δημιούργησε για πρώτη φορά ύλη από καθαρό φως, βασιζόμενη στην πιο διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν.

Σύμφωνα με την περίφημη εξίσωση E=mc2 του Άλμπερτ Αϊνστάιν, αν συντρίψετε δύο φωτόνια με αρκετή ενέργεια, ή σωματίδια φωτός, το ένα πάνω στο άλλο, θα πρέπει να είστε σε θέση να δημιουργήσετε ύλη, με τη μορφή ενός ηλεκτρονίου και το αντίθετο της αντιύλης του, ένα ποζιτρόνιο.

Όμως αυτή η διαδικασία, την οποία περιέγραψαν για πρώτη φορά οι Αμερικανοί φυσικοί Γκρέγκορι Μπράιτ και Τζον Γουίλερ το 1934, ήταν δύσκολο να παρατηρηθεί στη φυσική, κυρίως επειδή τα συγκρουόμενα φωτόνια θα έπρεπε να είναι πολύ ενεργητικές ακτίνες γάμμα, και οι επιστήμονες δεν είναι ακόμη σε θέση να κατασκευάσουν λέιζερ ακτίνων γάμμα. Εναλλακτικά πειράματα έχουν δείξει ότι η ύλη παράγεται από πολλαπλά φωτόνια, αλλά ποτέ με τρόπο που απαιτείται για να αποδειχθεί το φαινόμενο.

Όμως ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven της Νέας Υόρκης πιστεύουν ότι βρήκαν μια λύση σε αυτό το πρόβλημα. Χρησιμοποιώντας τον Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) του εργαστηρίου, κατάφεραν να παράγουν μετρήσεις που ταιριάζουν πολύ με τις προβλέψεις για την παράξενη αυτή πράξη μετασχηματισμού.

«Στην εργασία τους, οι Μπράιτ και Γουίλερ είχαν ήδη συνειδητοποιήσει ότι αυτό είναι σχεδόν αδύνατο να γίνει», δήλωσε ο Zhangbu Xu, φυσικός στο εργαστήριο Brookhaven. «Τα λέιζερ δεν υπήρχαν καν ακόμα! Αλλά οι δυο φυσικοί πρότειναν μια εναλλακτική λύση: την επιτάχυνση βαρέων ιόντων. Και η εναλλακτική τους λύση είναι ακριβώς αυτό που κάνουμε στο RHIC».

Αντί να επιταχύνουν απευθείας τα φωτόνια, οι ερευνητές επιτάχυναν δύο ιόντα – ατομικοί πυρήνες στους οποίους είχαν αφαιρεθεί τα ηλεκτρόνια και επομένως ήταν θετικά φορτισμένοι – σε έναν μεγάλο βρόχο, προτού τα στείλουν το ένα δίπλα στο άλλο σε μια παρολίγο σύγκρουση. Καθώς τα ιόντα είναι φορτισμένα σωματίδια που κινούνται πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός, μεταφέρουν ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μαζί τους, μέσα στο οποίο υπάρχουν ένα σωρό όχι και τόσο πραγματικά «εικονικά» φωτόνια που «ταξιδεύουν με το ιόν σαν ένα σύννεφο», εξήγησε ο Xu.

Τα εικονικά σωματίδια εμφανίζονται μόνο πολύ σύντομα ως διαταραχές στα πεδία που υπάρχουν μεταξύ των πραγματικών σωματιδίων. Σε αντίθεση με τα πραγματικά που δεν έχουν μάζα, τα εικονικά φωτόνια έχουν. Σε αυτό το πείραμα, όταν τα ιόντα πέρασαν το ένα από το άλλο σε μια παρ’ ολίγον αστοχία, τα δύο νέφη εικονικών φωτονίων τους κινούνταν τόσο γρήγορα που ενεργούσαν σαν να ήταν πραγματικά. Τα εικονικά σωματίδια συγκρούστηκαν πραγματικά με αποτέλεσμα να παράγουν ένα πραγματικό ζεύγος ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων.

Για να είναι μια παρατήρηση της διαδικασίας Μπράιτ-Γουίλερ αληθινή ή όσο το δυνατόν πιο αληθινή με τη χρήση εικονικών σωματιδίων, οι φυσικοί έπρεπε να βεβαιωθούν ότι τα εικονικά φωτόνια συμπεριφέρονταν όπως τα πραγματικά. Για να ελέγξουν τη συμπεριφορά των εικονικών φωτονίων, οι φυσικοί ανίχνευσαν και ανέλυσαν τις γωνίες μεταξύ περισσότερων από 6.000 ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που παρήχθησαν από το πείραμά τους.

Όταν δύο πραγματικά σωματίδια συγκρούονται, τα δευτερογενή προϊόντα θα πρέπει να παράγονται σε διαφορετικές γωνίες απ’ ό,τι αν προέρχονταν από δύο εικονικά σωματίδια. Αλλά σε αυτό το πείραμα, τα δευτερογενή προϊόντα των εικονικών σωματιδίων αναπήδησαν στις ίδιες γωνίες με τα δευτερογενή προϊόντα των πραγματικών σωματιδίων. Έτσι, οι ερευνητές μπόρεσαν να επαληθεύσουν ότι τα σωματίδια που έβλεπαν, συμπεριφέρονταν σαν να είχαν δημιουργηθεί από μια πραγματική αλληλεπίδραση και συνεπώς κατάφεραν να επιδείξουν επιτυχώς τη διαδικασία Μπράιτ-Γουίλερ.

Οι ερευνητές μέτρησαν επίσης την ενέργεια και την κατανομή της μάζας των συστημάτων. «Συμφωνούν με τους θεωρητικούς υπολογισμούς για το τι θα συνέβαινε με πραγματικά φωτόνια», δήλωσε ο Ντάνιελ Μπραντενμπεργκ, φυσικός στο Brookhaven.

Παρ’ όλα αυτά, ακόμη και αν φαίνεται να συμπεριφέρονται σαν πραγματικά σωματίδια, τα εικονικά φωτόνια που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα, εξακολουθούν να είναι εικονικά. Αυτό εγείρει το ερώτημα αν το πείραμα ήταν μια πραγματική επίδειξη της διαδικασίας Μπραίτ-Γουίλερ. Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα τουλάχιστον μέχρι οι φυσικοί να αναπτύξουν αρκετά ισχυρά λέιζερ, ώστε να δείξουν τη διαδικασία με πραγματικά φωτόνια.

Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στις 27 Ιουλίου στην επιστημονική επιθεώρηση «Physical Review Letters».

ΠΗΓΗ: Live Science