مسألة من الضوء. يخلق الفيزيائيون المادة والمادة المضادة عن طريق اصطدام الفوتونات فقط.

في عام 1905 كتب ألبرت أينشتاين أربع أوراق بحثية رائدة حول نظرية الكم والنسبية. أصبحت تُعرف باسم annus mirabilis لأينشتاين أو عام العجائب. كان أحدهما عن الحركة البراونية ، وحصل على جائزة نوبل في عام 1921 ، وحدد الآخر أسس النسبية الخاصة. لكن ورقة أينشتاين الأخيرة لعام 1905 هي الأكثر توقعًا.

الورقة بطول صفحتين فقط ، وهي توضح كيف يمكن للنسبية الخاصة أن تفسر جانبًا غريبًا من الانحلال الإشعاعي. كما أوضحت ماري كوري بشكل أكثر شهرة ، يمكن لبعض المواد مثل أملاح الراديوم أن تنبعث منها جزيئات بطاقة أكثر بكثير مما هو ممكن من الكيمياء البسيطة. تكهن ورقة أينشتاين الصغيرة حول الطاقة الزائدة التي قد يتم موازنتها بفقدان كتلة الجسيمات النووية. أدت هذه الفكرة في النهاية إلى معادلة أينشتاين الأكثر شهرة ، E = mc².

بيير وماري كوري في معملهما. 1904 ، المؤلف غير معروف.

غالبًا ما تؤخذ هذه المعادلة على أنها تعني أن المادة والطاقة وجهان لعملة واحدة. هذا يعني في الواقع أن الكتلة الظاهرة والطاقة لجسم ما يعتمدان على الحركة النسبية للمراقب ، وبسبب هذا ، فإن الاثنين متشابكان ، على غرار العلاقة بين المكان والزمان. لكن إحدى نتائج هذه العلاقة هي أنه في ظل الظروف المناسبة ، يجب أن تكون الأشياء قادرة على إنتاج الطاقة من خلال فقدان الكتلة.

نحن نعلم الآن أن هذا هو بالضبط ما يحدث في الاضمحلال الإشعاعي. التأثير أيضًا هو كيفية توليد النجوم للطاقة في نوىها عبر الاندماج النووي. بالطبع ، إذا كانت المادة يمكن أن تصبح طاقة ، فمن الممكن أيضًا أن تصبح الطاقة مادة. هذه الحيلة أصعب قليلاً ، وقد تطلب الأمر مسرعات الجسيمات لسحبها. في هذه الأيام نفعل هذا طوال الوقت. قم بتسريع الجسيمات إلى ما يقرب من سرعة الضوء وربطها ببعضها البعض. تطلق الكتلة الظاهرية الكبيرة للجسيمات طاقة هائلة ، ويتحول بعض هذه الطاقة مرة أخرى إلى جزيئات. يمكن لجميع فيزياء الجسيمات الحديثة تتبع تاريخها إلى ورقة أينشتاين المكونة من صفحتين.

يمكن أن يصبح اثنان من فوتونات أشعة جاما مادة. الائتمان: ماتيو ميشيل لوبيت

لكن قوانين الفيزياء لا تنص فقط على أنه يمكنك توليد الطاقة من المادة والعكس صحيح ، بل تضع قيودًا محددة على طبيعة المادة والطاقة التي تم إنشاؤها. أحد أبسط الأمثلة على ذلك هو إبادة الإلكترون والبوزيترون. يحدث هذا عندما يصطدم إلكترون بتوأمه من المادة المضادة. الجسيمان لهما الكتلة نفسها ، لكن شحنة معاكسة ، لذلك عندما يصطدمان ينتجان فوتونين عاليي الطاقة. يتم تحويل كتلة الإلكترون والبوزيترون بالكامل إلى طاقة. تم اقتراح هذه التجربة لأول مرة في ثلاثينيات القرن الماضي ، لكن لم يتم إجراؤها حتى عام 1970.

إذا كان بإمكانك تحويل المادة بالكامل إلى طاقة ، فيجب أن تكون قادرًا على القيام بالعكس. تُعرف باسم عملية بريت ويلر وتتضمن اصطدام فوتونين لتكوين زوج إلكترون-بوزيترون. بينما استخدمنا الضوء لتكوين المادة عدة مرات ، فإن تحويل فوتونين مباشرة إلى مادة أمر صعب للغاية. لكن تجربة حديثة تظهر أنه يمكن القيام بذلك.

استخدم الفريق بيانات من المصادم الأيوني الثقيل النسبي (RHIC) ونظر في أكثر من 6000 حدث خلقت أزواجًا من الإلكترون والبوزيترون. لم يكتفوا ببساطة بإشعاع ليزرين على بعضهما البعض ، بل استخدموا بدلاً من ذلك تصادم الجسيمات عالي الطاقة لإنشاء دفعات مكثفة من الفوتونات. في بعض الحالات ، اصطدمت هذه الفوتونات لتكوين زوج إلكترون-بوزيترون. من البيانات ، يمكن أن تظهر متى تم إنشاء الزوج مباشرة من الضوء.

نظرًا لحدوث هذه الإنتاجات الزوجية في المجال المغناطيسي الشديد ، أظهر الفريق أيضًا تأثيرًا مثيرًا للاهتمام يُعرف باسم الانكسار الفراغي. يحدث الانكسار الطبيعي عندما ينقسم الضوء إلى حزمتين من استقطاب مختلف. يحدث هذا التأثير بشكل طبيعي في مواد مثل أيسلندا الصاري. مع الانكسار الفراغي ، ينقسم الضوء الذي يمر عبر مجال مغناطيسي مكثف إلى قطبين ، مع اتخاذ كل استقطاب مسارًا مختلفًا قليلاً. إنه تأثير مذهل إذا فكرت في الأمر لأنه يعني أنه يمكنك تغيير مسار الضوء في الفراغ ، باستخدام المجال المغناطيسي فقط. لوحظ الانكسار الفراغي في الضوء القادم من نجم نيوتروني ، ولكن هذه هي المرة الأولى التي يتم ملاحظتها في المختبر.

المرجعي:أينشتاين ، ألبرت. ' هل القصور الذاتي للجسم يعتمد على محتواه من الطاقة؟ 'حوليات الفيزياء323.13 (1905): 639-641.

المرجعي:سوديكسون ، إل ، وآخرون. ' إبادة البوزيترونات أحادية الكم . 'مراجعة البدنية124.6 (1961): 1851.

المرجعي:بريت ، جريجوري ، وجون إيه ويلر. ' اصطدام اثنين من الكميات الخفيفة . 'مراجعة البدنية46.12 (1934): 1087.

المرجعي:آدم ، ياروسلاف وآخرون. ' قياس البريد⁺و^؟التوزيعات الزخمية والزاوية من اصطدام الفوتون المستقطب خطيًا . 'خطابات المراجعة المادية127.5 (2021): 052302.