Що таке Божественне світло? Вчені наблизилися до розгадки таємниці
Перші секунди після Великого вибуху, а також гамма-сплески у Всесвіті – ось дві великі загадки сучасної фізики, які пов’язані з таємничим процесом перетворення світла на речовину. Можливо, ми скоро відкриємо цю найбільшу таємницю.
Теоретична фізика давно передбачає можливість перетворення світла на матерію. На практиці ж сучасна наука ще до недавнього часу не мала жодного уявлення про те, як можна це зробити, пише Новое время.
З моменту перших теоретичних обґрунтувань цього процесу пройшло понад 80 років. І тільки зараз група фізиків готова приступити до практичного експерименту, який може перевернути наші уявлення про Всесвіт.
Процес Брейта-Вілера
Теоретичне обґрунтування для перетворення світла на речовину відоме як “процес Брейта-Вілера”. У 1934 році американські фізики Грегорі Брейт і Джон Вілер опублікували в авторитетному журналі Physical Review статтю, в якій вперше описали реакцію, за допомогою якої світло могло б бути перетворене на матерію.
В основі міркувань авторів роботи лежали роботи Альберта Ейнштейна, уявлення про еквівалентність маси і енергії і знаменита формула E = mc2.
Брейт і Вілер припустили, що два фотони (частинки світла) можуть взаємодіяти таким чином, що перетворюються на пару електрон-позитрон. Іншими словами, зі світла виникає матерія.
Decoded Science
Робота вчених була зустрінута з ентузіазмом, але так і залишалася гарною теорією через відсутність технічних інструментів для її перевірки. Іншими словами, в розпорядженні вчених просто не було обладнання, яке дозволило б точно сфокусувати зустрічні гамма-промені.
Самі Брейт і Вілер безпосередньо вказували у своїй роботі, що, на їх думку, наука ніколи не зможе спостерігати за таким експериментом на практиці.
Вперше фізики впритул підійшли до перевірки процесу Брейта-Вілера на практиці в 1997 році. В американській Національній прискорювальній лабораторії SLAC фізики змогли створити високоенергетичні фотони, які, взявши участь в декількох зіткненнях, перетворювалися на електрони і позитрони.
Однак, сам собою цей експеримент не міг служити доказом того, що світло можна перетворити на матерію, оскільки здійснювався ніби з середини процесу (використовувалися вже “готові” фотони, створені за допомогою інших енергетичних частинок).
У 2014 році група британських фізиків з Імперського коледжу Лондона опублікувала опис експерименту, який міг би повністю відтворити теоретичний процес Брейта-Вілера. У ньому як джерела фотонів мало виступати звичайне світло, ніяких “сторонніх” частинок не передбачено.
І ось в кінці березня нинішнього року стало відомо, що експеримент буде здійснений найближчим часом.
Перетворення світла на матерію
Олівер Пайк, один з авторів дослідження, згадує, що ідея експерименту народилася в 2014 році, коли троє фізиків вирішили випити кави в лабораторії фізики Імперського коледжу Лондона. Під час бесіди хтось згадав про процес Брейта-Вілера, і виникла думка побудувати прилад, який міг би генерувати фотони, потім зіштовхувати їх і відстежувати появу позитронів.
І ось через чотири роки британські фізики мають намір провести свій експеримент за допомогою спеціально сконструйованого фотонного коллайдера.
Imperial College
Суть експерименту буде полягати ось у чому. Спочатку лазер високої інтенсивності прискорить електрони до швидкості світла. Ці електрони будуть спрямовані на золоту пластину, внаслідок чого виникне пучок фотонів, які будуть нести набагато більше енергії, ніж звичайні фотони видимого світла.
Потім іншим, більш потужним лазером буде опромінена внутрішня поверхня полого циліндра із золота, що призведе до виникнення фотонів теплового випромінювання. Через цей же циліндр будуть пропущені фотони, що виникли на першій стадії експерименту.
Таким чином між собою зіткнуться два типи фотонів, що мають різне походження і енергетичний заряд. В результаті цього зіткнення повинні утворитися електрони і позитрони, що й буде служити доказом того, що процес Брейта-Вілера насправді можливий і що світло дійсно може перетворюватися на речовину.
“Це буде чиста демонстрація на практиці знаменитого рівняння Ейнштейна E = mc2”, – констатує Стівен Роуз, професор фізики Імперського коледжу Лондона і провідний автор дослідження.
За його словами, рівняння допомагає підрахувати, скільки енергії виробляється, коли матерія перетворюється на енергію.
“Під час нашого експерименту ми здійснимо зворотний процес, перетворюючи енергію фотона на матерію, тобто проілюструємо формулу m = E/c2 “, – пояснює Роуз.
За словами Олівера Пайка, розрив у часі між публікацією роботи з теоретичним обґрунтуванням та початком експерименту (пройшло близько чотирьох років) був пов’язаний зі складною конструкцією коллайдера і лазерів.
Чому це важливо?
Якщо експеримент виявиться вдалим, ми підійдемо на крок ближче до розуміння того, як влаштований Всесвіт, говорить Роуз.
“Коли Брейт і Вілер вперше запропонували цю теорію в 1934 році, вони грунтувалися на новітній на той момент теорії про взаємодію світла і матерії – квантової електродинаміки, – пояснює один з авторів дослідження Стюарт Манглс. – З того часу всі інші фундаментальні передбачення квантової електродинаміки отримали експериментальні підтвердження. Все, крім процесу Брейта-Вілера”.
За його словами, успіх експерименту дозволить відтворити процес, який мав вкрай важливе значення в перші 100 секунд існування Всесвіту після Великого вибуху.
Також процес перетворення світла на речовину має місце при гамма-сплеску, додає Манглс, а це найбільші “вибухи” у Всесвіті, а також одна з найбільших загадок сучасної фізики.
Ну і зрозуміло, експеримент матиме колосальне значення – як засіб закрити одную з найбільших прогалин у теорії квантової електродинаміки.
