宇宙大爆炸開始幾分鐘后，產(chǎn)生了物質(zhì)和反物質(zhì)的第一批粒子，現(xiàn)在我們熟悉從營火到原子彈一切事物中的相反過程：即物質(zhì)產(chǎn)生能量，但很難再現(xiàn)從光到物質(zhì)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。

現(xiàn)在，加州大學(xué)圣地亞哥分校的阿列克謝·阿雷菲耶夫領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究小組進(jìn)行了一組新模擬，為利用光制造物質(zhì)指明了方向。這一過程首先將高功率激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，以產(chǎn)生與中子星一樣強(qiáng)的磁場。

這個(gè)場會(huì)產(chǎn)生伽馬射線輻射，它們相互碰撞，在最短的瞬間產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)粒子對(duì)。機(jī)械和航空航天工程副教授阿雷菲耶夫(Arefiev)表示：在發(fā)表在《物理評(píng)論應(yīng)用》期刊上的這項(xiàng)研究提供了一種方法，東歐極限光基礎(chǔ)設(shè)施(ELI)高功率激光設(shè)施的實(shí)驗(yàn)者可以效仿，在一到兩年內(nèi)產(chǎn)生真正的結(jié)果，其研究結(jié)果使科學(xué)家能夠首次探索宇宙中的一個(gè)基本過程。

駕馭超高功率的能量

研究團(tuán)隊(duì)在相對(duì)論激光-等離子體模擬小組的同事們多年來一直在研究如何創(chuàng)造超強(qiáng)、定向的能量輻射光束，這項(xiàng)研究得到了國家科學(xué)基金會(huì)和空軍科學(xué)研究辦公室的部分支持。研究指出：實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是將高功率激光對(duì)準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)，以產(chǎn)生一個(gè)非常強(qiáng)的磁場，從而釋放出強(qiáng)烈的能量釋放。瞄準(zhǔn)密集目標(biāo)的高強(qiáng)度、超短激光脈沖可以使目標(biāo)變得“相對(duì)透明”，因?yàn)榧す庵械碾娮右苑浅＝咏馑俚乃俣纫苿?dòng)，有效地變得更重。

這可以防止激光的電子移動(dòng)以保護(hù)目標(biāo)不受激光照射。當(dāng)激光推過這些電子時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與中子星表面引力一樣強(qiáng)的磁場，比地球磁場強(qiáng)1億倍以上。說這一切都是在一眨眼之間發(fā)生，一點(diǎn)都不夸張，磁場存在100飛秒(飛秒是十分之一秒-一千萬億分之一秒)。但是“從激光的角度來看，這個(gè)場是準(zhǔn)靜態(tài)的，話又說回來，從激光的角度來看，我們的壽命可能比宇宙的壽命更長。在這種情況下，高功率激光器是在數(shù)拍瓦范圍內(nèi)的激光器，一拍瓦是一百萬瓦。

相比之下，太陽向地球整個(gè)高層大氣提供了大約174拍瓦的太陽輻射，一支激光筆可以為Power Point幻燈片提供大約0.005瓦的功率。之前的模擬表明，激光器必須是高功率的，并且瞄準(zhǔn)一個(gè)微小的光點(diǎn)，才能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場所需的強(qiáng)度。新模擬表明，通過增加焦點(diǎn)的大小，并將激光功率提高到4拍瓦左右，激光的強(qiáng)度可以保持不變，仍然可以產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場。模擬結(jié)果表明，在這些條件下，磁場的激光加速電子刺激了高能伽馬射線的發(fā)射。

粒子對(duì)

其中一個(gè)有趣的事情是（電子-正電子對(duì)產(chǎn)生）物質(zhì)和反物質(zhì)的成對(duì)粒子。這些粒子可以通過兩個(gè)伽馬射線束碰撞或一個(gè)伽馬射線束與黑體輻射碰撞而產(chǎn)生，黑體輻射是一個(gè)吸收落在上面的所有輻射的物體?？茖W(xué)家們之前已經(jīng)完成了從光到物質(zhì)轉(zhuǎn)變的壯舉，特別是在1997年斯坦福大學(xué)的一次實(shí)驗(yàn)中，但那種方法需要額外的高能電子流，而新方法“只是用來產(chǎn)生物質(zhì)的光”。

斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)“大約每100次就會(huì)產(chǎn)生一對(duì)粒子”。一項(xiàng)僅用光創(chuàng)造物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，更接近地模擬了宇宙最初幾分鐘的情況，為希望了解更多關(guān)于這一關(guān)鍵時(shí)間段研究人員提供了一個(gè)改進(jìn)的模型。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還可以為研究反物質(zhì)粒子提供更多的機(jī)會(huì)，反物質(zhì)粒子仍然是宇宙組成的神秘部分。例如，科學(xué)家們好奇地想要更多地了解為什么宇宙中的物質(zhì)似乎比反物質(zhì)多，而這兩者應(yīng)該是等量存在的。

博科園｜研究/來自：加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校

研究發(fā)表期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.054024

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