fbpx
-4.2 C
София

Учените от Националната лаборатория на САЩ превърнаха чистата светлината в материя

Най-четени

Даниел Десподов
Даниел Десподовhttps://www.kaldata.com/
Новинар. Увличам се от съвременни технологии, информационна безопасност, спорт, наука и изкуствен интелект.

В Брукхейвънска Национална лаборатория на САЩ в Лонг Айлънд американските учени създават материя единствено от чиста светлина, което става с помощта на сложен ускорител на частици. Това е първият успешен експеримент от този род в историята на физиката.

Самият експеримент потвърди прогнозите, направени от водещите физици преди почти един век и хвърли нова светлина върху загадъчните процеси, протичащи както в квантови, така и в космически мащаби.

Преобразуването на фотоните, които са частици светлина без маса, в електронни – елементарни частици материя, бе осъществено от екип учени с помощта на релативисткия колайдер с тежки йони RHIC. Техническите предпоставки за извършването на този експеримент се появяват в началото на 20-ти век, но за тяхната експериментална проверка в наши дни се наложи да се извърши сериозна промяна на един от основните компоненти на RHIC – соленоидният тракер-детектор (STAR).

 

„Всички звезди се подредиха така, че всичко ни се получи“ – каза Чжанбу Сюй, член на организацията STAR и водещ автор на научната работа.

Мечтата за осъществяване на този експеримент се заражда още през 1934 година, когато физиците Брайт Шнайдър и Джон Уилър предполагат, че при сблъсъка на фотони е възможно да се появят двойка частици материя-антиматерия, която се състои от електрони (отрицателно заредени частици) и позитрони (положително заредени двойници на електроните, които се считат за антиматерия).

Процесът на Брайт-Уилър

В наши дни тази идея се нарича „Процесът Брайт-Уилър„. Тя бележи началото на квантовата механика и благодарение на нея става ясно, че взаимодействието на фотоните на квантово ниво не се подчинява на законите на класическата механика. Физиците разчитат и на знаменитата еквивалентност на масата и енергия на Айнщайн, която се описва като E=mc2. Тази формула показва, че масата и енергията са просто двете страни на един и същи медал.

При това, преобразуването на енергия в материя е много по-трудно, отколкото превръщането на материя в енергия. През 1930-те години това е изглеждало на практика невъзможно. Тогава Брайт и Уилър са предположили, че процесът може да бъде осъществен от специално устройство, което може да ускорява йони с липсващи електрони. Но тогава подобна апаратура въобще не е имало.

„Именно това демонстрира гениалността на тяхната идея – в началото на 1930-те години почти никой от съвременните физични експерименти все още не е проведен“ – заяви Даниъл Брандербург, още един член на екипа STAR. “ в самия край на тяхната научна работа те са прогнозирали как може да бъде постигнато това и ние успяхме да реализираме описания от тях експеримент“.

Потресаващо е да видим, че  те не само са получили правилни резултати, водени само от теоретичната физика от това време, но и са описали експеримент, който става възможен за осъществяване след почти 100 години“

 

Експериментът, предложен от Брайт и Уилър, който успешно бе осъществен от екипа на STAR, предвижда сблъскването на тежки йони, като в този случай се използват йони на златото. Ти трябва да се сблъскат един с друг със скорост 99,995% от скоростта на светлината. Големият положителен заряд и високите скорости на йоните създават кръгови магнитни полета и облаци фотони, които заедно с частиците преминават през колайдера.

Когото йоните на златото се сблъскват, светлините частици във вид на ореол започват да си взаимодействат и да генерират двойки частица-античастица точно според прогнозата на теоретиците, направена преди почти 100 години. RHIC успя да демонстрира процеса на Брайт-Уилър, а детекторът STAR бе този инструмент, който директно улови, измери и потвърди това достижение.

Потвърждаването на една стара теория разбира се, е чудесно. Но по времето на този експеримент бе направен изключително важен пробив: за първи път в историята на физиката бе демонстрирано двойното лъчепречупване във вакуум. Тази концепция също има почти 100-годишна история.

 

През 1936 година физиците Ханс Хайнрих Ойлер и Вернер Хайзенберг (съшият, с принципа на неопределеността) прогнозират, че мощните магнитни полета могат да поляризират вакуума. Този ефект трябва да оказва специално влияние на пътя на светлината, преминаваща през празното пространство. След около 20 години физикът Джон Тол доразвива тази идея, като описва вакуумното двойно лъчепречупване и по-точно, по какъв начин поляризацията влияе на поглъщането на светлината от магнитното поле във вакуума.

Двойното лъчепречупване може да бъде видяно и в по-познатите материали, като например кристалите. При тях понякога светлината се разделя и се виждат двойни изображения. Същият ефект се наблюдава и при екстремални космически условия, като например близо до неутронните звезди, които имат изключително силни магнитни полета.

Но екипът на STAR за първи път демонстрира вакуумно двойно лъчепречупване на Земята. Това е изключително важно експериментално потвърждение на един от базовите принципи на квантовата механика.

Демонстрираният ефект е изключително интересен, понеже фотонът няма заряд и от класическа гледна точка магнитното поле не може да му влияе. Именно това доказва фундаменталните аспекти на квантовата механика. Фотонът може да има непрекъснати флуктуации и да се превръща в двойка електрон позитрон, които от своя страна много добре взаимодействат с магнитното поле. Именно това е измерено.

Направеното откритие показва, че всичко това несъмнено се случва във вакуума на космоса при наличието на силни магнитни полета, но сега тази вълнова функция бе директно измерена.

От предишните експерименти по превръщането на енергия в материя пробивът на STAR се различава по двойната демонстрация на процеса Брайт-Уилър и особено по двойното лъчепречупване.

 

По време на знаменития експеримент от 1997-ма година Националната ускорителна лаборатория SLAC сблъсква лазерни лъчи със снопове електрони, като по този начин от фотоните се създават двойки електрон-позитрон. Но тогава е нямало как да бъдат осъществени точни измервания. STAR успя да направи това, като получи неизвестни досега данни и детайли, както и нова информация за ефекта на вакуумното двойно лъчепречупване.

„Това е първото експериментално измерване, по повод на което можем да кажем: да ние наистина наблюдавахме тези свръхсилни електрически и магнитни полета, макари и краткотрайно“- каза още Бранденбург. „В резултат от това ние за първи път успяхме експериментално да покажем тези свръхсилни магнитни полета – най-силните магнитни полета във Вселената. Други подобни източници на магнитни полета в ъв Вселената просто няма“.

При проведения наскоро експеримент с помощта на Големия адронен колайдер учените превърнаха енергията в маса чрез сблъскване на фотони, като по този начин получиха W-бозони – форма на материята със съвсем кратък живот, която управлява слабото ядрено взаимодействие – едно от четирите фундаментални взаимодействия в природата. Но в сравнение с електронните, W-бозоните са изключително екзотична форма на материята, която се разпада за съвсем малка част от секундата. Въпреки че това бе знаково достижение, този експеримент не бе счетен за демонстрация на процеса Брайт-Уилър.

При експеримента с Големия адронен колайдер се осъществява сблъскването на два фотона, чрез което се поражда частица с някаква маса, което съвсем не е изчисленото от Брайт и Уилър. Тогава концепциите за слабите ядрени взаимодействия и за квантовата хромодинамика все още не са съществували. Дори и лазерите не са били изобретени.

 

От гледна точка на физиката експериментите с Големия адронен колайдер, SLAC и постигнатото сега от екипа STAR на Националната лаборатория в Брукхейвън се допълват един друг, като по експериментален път потвърждават, че формулата на Айнщайн работи и в двете страни, въпреки че създаването на маса от енергия е много по-сложно, отколкото обратното. Получената допълнителна демонстрация на вакуумното двойно лъчепречупване разкри нови възможности за реализирането на иновации и съвсем нови идеи, които могат да хвърлят светлина върху екзотичните процеси от много различни мащаби – от квантовите взаимодействия до разширяването на космоса.

Така например, направените изключително точни измервания могат да помогнат на астрофизиците и космолозите да моделират създаването на електрон-позитронни двойки от светлината, която облива най-мощните от енергийна точка космически обекти, както и върху редица събития протичащи във Вселената – от свръхновите звезди до черните дупки. Следващата цел на екипа на STAR е създаването на първите двуизмерни изображения на ядрата на атома с безпрецедентна към днешен ден детайлност. 


Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iOS и Huawei!

Абонирай се
Извести ме за
guest

0 Коментара
Отзиви
Всички коментари

Нови ревюта

Подобни новини