又一验证！世界上真的存在反物质吗？爱因斯坦质能方程这样解

两个碰撞的光粒子被用来创建一个物质-反物质对

布鲁克海文国家实验室的 STAR 探测器探测到由光子碰撞产生的物质-反物质对。 （图片来源：布鲁克海文国家实验室）

在对爱因斯坦最著名的一个方程式做实验的过程中，物理学家声称第一次用纯光创造了物质。

阿尔伯特爱因斯坦著名的 E=mc^2 方程表明，如果你将两个足够高能的光子或轻粒子相互撞击，能够创造出电子形式的物质及其相反的反物质。

这一过程由美国物理学家格雷戈里·布莱特和约翰·惠勒于 1934 年首次描述，长期以来一直是物理学中最难观察的过程之一，主要是因为碰撞的光子需要是高能伽马射线，而科学家们还不能制造伽马射线激光器。科学家用替代实验证明，物质是由多个光子产生的，但从来没有以一对一的方式来最确凿地证明这种效应。

但现在纽约布鲁克海文国家实验室的研究人员相信他们已经找到了解决方法。使用实验室的相对论重离子对撞机 (RHIC)，他们已经得出的测量结果与这种奇特的物质转变预测非常匹配。

布鲁克海文实验室的物理学家 Zhangbu Xu 在一份声明中说 “在他们的论文中，Breit 和 Wheeler 已经意识到这几乎是不可能的，激光甚至还不存在！但 Breit 和 Wheeler 提出了一个替代方案：加速重离子。他们的替代方案正是我们在 RHIC 所做的。”

研究人员没有直接加速光子，而是用被剥夺了电子的原子核构成正电的离子。在一个大加速器循环中，加速这两个离子，然后在接近碰撞中让它们彼此通过。 由于离子是非常接近光速运动的带电粒子，它们还携带着一个电磁场，在电磁场内部是一堆不完全真实的“虚拟” 光子 “像云一样与[离子]一起旅行 ”徐解释道。

虚拟粒子是非常短暂地突然出现的粒子，是真实粒子之间的电磁场扰动而产生。 它们的质量与真实光子不同 (与没有质量的真实光子不同，虚光子有质量)。在这个实验中，当离子以极为接近的速度掠过彼此时，它们的两个虚拟光子云移动得如此之快，就像它们是真实的一样。实际作用的虚拟粒子发生了碰撞——产生了科学家们探测到的非常真实的电子-正电子对。

为了真实地观察 Breit-Wheeler 过程，或者使用虚拟粒子尽可能真实地观察，物理学家必须确保他们的虚拟光子表现得像真实光子一样。 为了检查虚拟光子的行为，物理学家检测并分析了他们实验产生的 6,000 多个电子-正电子对之间的角度。

当两个真实粒子碰撞时，产生的二次产物的角度与两个虚拟粒子碰撞产生的二次产物的角度不同。但在这个实验中，虚拟粒子的次生产物与真实粒子的次生产物反弹的角度相同。因此，研究人员可以验证他们所看到的粒子的行为，就好像它们是由真实的相互作用产生的。他们成功地演示了 Breit-Wheeler 过程。

研究人员还测量了系统的能量和质量分布。布鲁克海文的物理学家丹尼尔·勃兰登堡(Daniel Brandenburg)在声明中说:“它们与关于真实光子会发生现象的理论计算是一致的。”

尽管如此，即使它们看起来表现得像真实粒子，但不可否认，实验中使用的虚拟光子仍然是虚拟的。 这就提出了一个问题，这个实验是否真的证明了Breit-Wheeler过程，但这仍然是重要的第一步，直到未来物理学家能开发出足够强大的激光，用真实的光子展示这个过程。

相关知识

虚粒子（英语：virtual particle），意即虚构粒子、假想粒子，是在量子场论的数学计算中建立的一种解释性概念，指代用来描述亚原子过程例如撞击过程中粒子的数学项。但是，虚粒子并不直接出现在计算过程的那些可观测的输入输出量中，那些输入输出量只代表实粒子。虚粒子项代表那些所谓离质量壳(off mass shell)的粒子。

例如，它们沿时间反演、能量不守恒、以超光速移动，每条看起来都和物理基本原理相悖。虚粒子发生在那些大致可被实输出量相消的组合项中，因此才产生前述那些不实的冲突。虚粒子的虚“事件”通常看起来是一个紧接着另一个发生，例如在一次撞击的时长中，所以他们显得短命。如果在计算中略去那些被诠释为代表虚粒子的数学项，计算结果将变成近似值，有可能较大地偏离完整计算得到的正确而且精确的结果。[1][2][3]

BY: Ben Turner

FY: Starry

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