爱因斯坦|首次实现！著名的爱因斯坦质能方程被用于从光中创造物质_爱因斯坦质能方程|光子能量

两个光粒子对撞可以用来创造物质与反物质对。

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布鲁克海文国家实验室的STAR探测器探测到由光线相撞产生的成对的物质和反物质。（图片来源：布鲁克海文国家实验室）
【爱因斯坦|首次实现！著名的爱因斯坦质能方程被用于从光中创造物质】爱因斯坦最著名的方程式之一显示出惊人魔力，物理学家们表示他们首次从光中制造出了物质。
根据阿尔伯特爱因斯坦著名的质能方程，如果让两个能量足够大的光子对撞，有可能创造出物质：一个电子和它的反物质，正电子。

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这个物理过程在1934年被美国的物理学家Gregory Breit 和John Wheeler首次描述出来，但长期以来却是最难在物理上观察的。主要原因在于，参与碰撞的光子必须是高能伽马射线，然而当时的科学家们还无法制造出伽马射线激光。其他的替代实验可以从多个光子中创造出物质，但是一对一的光子碰撞却还没有创造出物质来证实这个效应。

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不过，来自纽约布鲁克海文国家实验室的研究者们发现了其他的办法。利用实验室的RHIC(相对论重离子碰撞)机器，他们可以进行一种密切符合这种奇特的转化反应的测量。

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布鲁克海文实验室的物理学家许长补说， "在他们的论文中， Breit 和 Wheeler已经意识到这基本是不可能观测到的，那时候连激光器都没有！但他们提出了另一种方案：加速重离子。我们现在在RHIC进行的研究就是用了这种方式。 "

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许长补解释道，研究人员没有直接加速光子，而是在环状加速器中加速了两个离子（去掉了电子的原子核，带有正电荷），然后让它们近距离互相飞越。由于这些离子是非常接近光速运动的带电粒子，它们本身也带有电磁场，这个电磁场中则有一堆并不真实存在的“虚光子” ，像云团一样与离子一起飞行。

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虚粒子是一些存在时间极短的粒子，由实粒子之间的场的扰动产生，它们的质量与对应的实粒子也不一定不同（比如实光子质量为零，虚光子则可能拥有非零质量）。在这个实验中，当两个离子近距离飞越对方，它们自身的虚光子云移动的也非常快，以至于看起来像实粒子一样。这些像实粒子一样的虚粒子相撞则会产生可以探测到的电子-正电子对。

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为了尽可能真实地观察Breit-Wheeler过程，物理学家必须确保这些虚光子与实粒子有相同的行为。为了检查这一点，他们要测量实验中生成的6000多个电子-正电子对之间的夹角。
当两个实粒子相撞时，次级产物的角度与两个虚粒子相撞不同。但在这个实验中，虚粒子次级产物的角度与实粒子次级产物相同。所以研究者可以确认他们看到的粒子的行为确实与实粒子相同，他们成功地展示了Breit-Wheeler过程。

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研究人员同样测量了系统的能量和质量分布。 “它们与真实的光子会发生什么的理论计算相符” ，一位布鲁克海文的物理学家Daniel Brandenburg在声明中如是说。
然而，尽管它们表现得像实粒子，但不可否认的是实验中使用的虚光子依然是虚拟的。这引起了一个疑问，即这个实验是否为布莱特-惠勒过程的真实展示。但无论如何，这仍然是在物理学家开发出足够强的激光器来展示与真实光子的过程前重要的第一步。

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相关知识
在物理学中，质能等效是指静止参考系中质量和能量的等价关系[1][2] ，而他们在数值和单位上是不同的。该原理可由物理学家爱因斯的著名公式来描述[3]：质能方程E=m,c^2
该公式将粒子在其静止参考系中的能量 E 定义为质量 (m) 与光速平方 (c^2) 的乘积。因为光速在日常单位下是一个很大的数值（大约3*10^8米/秒），这个公式指出很小的静止质量便对应了巨大的能量，而与物体的构成成分无关。静止质量又称为不变质量，是系统静止时测得的质量。它是一个与动量无关的基础物理属性，即使在接近光速的极端速度下也保持不变（即它的值在所有惯性参考系中都是相同的）。

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无质量粒子（例如光子）的不变质量为零，但它们（无质量的自由粒子）也具有动量和能量。质能等价性原理指出当能量在化学反应、核反应和其他能量转化过程中损失时，系统也会损失相应大小的质量。能量和质量可以通过辐射的形式释放到环境中，比如以光和热量的形式。该原理（质能等价性原理）是包括核物理学和粒子物理学在内的许多物理学领域的基础。

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质能等价来源于狭义相对论，被法国学者庞加莱认为是一个悖论。爱因斯坦首先提出质量和能量等价的观点，并认为这种等价性是空间和时间对称性的普遍原理和结果。 1905 年 11 月 21 日，该原理首次出现在他的奇迹年论文之一——“物体的惯性取决于它的能量含量吗？”中。

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该公式及其与动量的关系(能量-动量关系)后来由其他物理学家们继续发展起来。（注：奇迹年，奇迹年论文（Annus mirabilis papers）指的是阿尔伯特·爱因斯坦在公元1905年在德国科学期刊《物理年鉴》所发表的四篇论文。这四篇论文推进了近代物理学的基础，并且让人重新理解空间、时间、质量与能量。公元1905年也因此被称为爱因斯坦奇迹年。）
BY： Ben Turner
FY：Astronomical volunteer team
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