Atrodė neįmanoma: po 80 metų mokslininkai sugalvojo būdą, kaip galima sukurti materiją iš šviesos

Vos per vieną dieną, geriant kavą mažame kabinete, trys koledžo fizikos laboratorijos mokslininkai sugalvojo paprastą būdą, kaip įrodyti teoriją, kurią pirmą kartą 1934 metais pateikė mokslininkai Gregory Breitas ir Johnas A. Wheeleris. Jie teigė, kad šviesą paversti materiją turėtų būti įmanoma sujungiant dvi šviesos daleles (fotonus), taip sukuriant elektronus ir pozitronus. Nors mokslininkų skaičiavimai buvo pagrįsti, jie ptys sakė, kad nesitiki, jog kas nors kada nors išpildys šią jų teoriją. Ši idėja niekada nebuvo išbandyta laboratorijoje.

Naujasis tyrimas, kuris buvo publikuotas „Nature Photonics“ žurnale, pirmą kartą demonstruoja kaip G.Breito ir J.A.Wheelerio teoriją būtų galima įrodyti praktiškai. Šis fotono greitintuvas, kuris šviesą turėtų tiesiogiai paversti materija, naudojant jau sukurtas technologijas, būtų naujos aukštos energijos rūšies fizikos eksperimentas. Juo būtų atkurtas procesas, kuris buvo itin svarbus pirmąsias 100 sekundžių po to, kai susikūrė mūsų Visata – tai vadinama Didžiuoju sprogimu ir yra viena iš didžiausių šių laikų fizikos mįslių.

Mokslininkai iš pradžių tyrinėjo visiškai su eksperimentu nesusijusias energijos sintezės problemas, kol galiausiai suvokė, kad jų darbo rezultatus galima pritaikyti ir G.Breito ir J.A.Wheelerio teorijai. Pilną rezultatą mokslininkai pasiekė bendradarbiaudami su teorijos fizikos ekspertais iš „Max Planck“ branduolinės fizikos instituto, kurie tuo metu kaip tik lankėsi Lonono imperatoriškajame koledže.

G.Breito ir J.A.Wheelerio praktiškas pademonstravimas užbaigtų dėlionę ir mokslininkai pagaliau žinotų kaip materija ir šviesa sąveikauja. Kitos dėlionės dalys yra Paulo Diraco 1930 metais sukurta teorija apie elektronų ir pozitronų naikinimą bei Alberto Einšteino 1905 metais sukurta teorija apie fotoelektrinį efektą.

Profesorius Steveas Rosesas iš Londono imperatoriškojo koledžo fizikos departamento sako, kad nepaisant to, jog fizikai šią teoriją laiko teisinga, pats G.Breitas ir J.A.Wheelis sakė, kad jos niekada nepavyks pademonstruoti laboratorijoje. Profesorius sakė, kad šis jų teiginys tikrai bus paneigtas. Kadangi teoriją atradę mokslininkai yra teorinės fizikos ekspertai – dabar jie bendradarbiauja su kitais fizikais, kad šią idėją įgyvendintų praktiškai.

Sudėtingas eksperimentas

Greitintuvo eksperimentas bus atliekamas dvejais žingsniais. Pirmiausia mokslininkai panaudos itin galingą lazerį, kad elektronai beveik pasiektų šviesos greitį. Tuomet jie šiuos elektronus paleis į aukso gabalą, kad sukurtų fotonų spindulį, milijardą kartų aktyvesnį už matomą šviesą.

Kitame eksperimento etape bus naudojama maža aukso skardinė, vadinama „hohlraum“ (išvertus iš vokiečių kalbos, tuščias kambarys – aut. past.). Mokslininkai paleis aukštos energijos lazerį į vidinę skardinės pusę, kad sukurtų šiluminį radiacijos lauką, generuojantį šviesą, panašią į žvaigždžių skleidžiamą šviesą.

Tuomet pirmajame etape sukurtas fotonų spindulys buvo nukreiptas į skardinės centrą, o dėl to fotonai iš dviejų skirtingų šaltinių susidurs ir suformuos elektronus bei pozitronus. Tuomet turėtų būti įmanoma aptikti elektronų ir pozitronų darinį.

Tyrimui vadovavęs Oliveris Pikeas, kuris studijavo doktorantūrą plazmos fizikoje, sako, kad nors teorija pagal savo koncepciją yra paprasta, ją patvirtinti eksperimento būdu gali būti labai sudėtinga. Tačiau jis taip pat sako, kad jiems fotonų greitintuvą pavyko sukurti labai greitai, o ir pasiūlytai eksperimento struktūrai turėtų padėti jau sukurtos technologijos. Šiuo metu mokslininkai jau atlieka tokius eksperimentus ir bando teoriją pritaikyti praktiškai.

Parengta pagal „Phys“.