Тайна вселенной: физики приблизились к разгадке

Первые секунды после Большого взрыва, а также гамма-всплески во Вселенной – вот две крупные загадки современной физики, которые связаны с таинственным процессом превращения света в вещество. Возможно, мы скоро приоткроем эту величайшую тайну.

Теоретическая физика давно предполагает возможность превращения света в материю. На практике же современная наука еще до недавнего времени не обладала никакими представлениями о том, как можно это сделать.

С момента первых теоретических обоснований этого процесса прошло более 80 лет. И только сейчас группа физиков готова приступить к практическому эксперименту, который может перевернуть наши представления о Вселенной.

Процесс Брейта-Уилера. Теоретическое обоснование для превращения света в вещество известно как "процесс Брейта-Уилера". В 1934 году американские физики Грегори Брейт и Джон Уилер опубликовали в авторитетном журнале Physical Review статью, в которой впервые описали реакцию, с помощью которой свет мог бы быть превращен в материю.

В основе рассуждений авторов работы лежали работы Альберта Эйнштейна, представления об эквивалентности массы и энергии и знаменитая формула E=mc2.

Брейт и Уилер предположили, что два фотона (частички света) могут взаимодействовать таким образом, что превращаются в пару электрон-позитрон. Иными словами, из света возникает материя.

Работа ученых была встречена с энтузиазмом, но так и оставалась красивой теорией из-за отсутствия технических инструментов для ее проверки. Иными словами, в распоряжении ученых просто не было оборудования, которое позволило бы точно сфокусировать встречные гамма-лучи.

Сами Брейт и Уилер напрямую указывали в своей работе, что, по их мнению, наука никогда не сможет наблюдать за таким экспериментом на практике.

Впервые физики вплотную подошли к проверке процесса Брейта-Уилера на практике в 1997 году. В американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC физики смогли создать высокоэнергетические фотоны, которые, приняв участие в нескольких столкновениях, превращались в электроны и позитроны.

Однако, сам по себе этот эксперимент не мог служить доказательством того, что свет можно превратить в материю, поскольку осуществлялся как бы с середины процесса (использовались уже "готовые" фотоны, созданные с помощью других энергетических частиц).

В 2014 году группа британских физиков из Имперского колледжа Лондона опубликовала описание эксперимента, который мог бы полностью воссоздать теоретический процесс Брейта-Уилера. В нем в качестве источников фотонов должен был выступать обычный свет, никаких "посторонних" частиц не предусмотрено.

И вот в конце марта нынешнего года стало известно, что эксперимент будет осуществлен в ближайшее время.

"Голубая Луна": когда мы увидим второе полнолуние

Превращение света в материю. Оливер Пайк, один из авторов исследования, вспоминает, что идея эксперимента родилась в 2014 году, когда трое физиков решили выпить кофе в лаборатории физики Имперского колледжа Лондона. В ходе беседы кто-то вспомнил о процессе Брейта-Уилера, и возникла мысль построить прибор, который мог бы генерировать фотоны, затем сталкивать их и отслеживать появление позитронов.

И вот четыре года спустя британские физики намерены провести свой эксперимент с помощью специально сконструированного фотонного коллайдера.

Суть эксперимента будет заключаться в следующем. Сначала лазер высокой интенсивности ускорит электроны до скорости света. Эти электроны будут направлены на золотую пластину, вследствие чего возникнет пучок фотонов, которые будут нести намного больше энергии, чем обычные фотоны видимого света.

Затем другим, более мощным лазером будет облучена внутренняя поверхность полого цилиндра из золота, что приведет к возникновению фотонов теплового излучения. Через этот же цилиндр будут пропущены фотоны, возникшие на первой стадии эксперимента.

Таким образом между собой столкнутся два типа фотонов, имеющих разное происхождение и энергетический заряд. В результате этого столкновения должны образоваться электроны и позитроны, что и будет служить доказательством того, что процесс Брейта-Уилера на самом деле возможен и что свет действительно может превращаться в вещество.

"Это будет чистая демонстрация на практике знаменитого уравнения Эйнштейна E=mc2", – констатирует Стивен Роуз, профессор физики Имперского колледжа Лондона и ведущий автор исследования.

По его словам, уравнение помогает подсчитать, сколько энергии производится, когда материя преобразуется в энергию.

"В ходе нашего эксперимента мы осуществим обратный процесс, превращая энергию фотона в материю, т.е. проиллюстрируем формулу m=E/c2", – поясняет Роуз.

По словам Оливера Пайка, разрыв во времени между публикацией работы с теоретическим обоснованием и началом эксперимента (прошло около четырех лет) был связан со сложной конструкцией коллайдера и лазеров.

Если эксперимент окажется удачным, мы подойдем на шаг ближе к пониманию того, как устроена Вселенная, говорит Роуз.

"Когда Брейт и Уилер впервые предложили эту теорию в 1934 году, они основывались на новейшей на тот момент теории о взаимодействии света и материи – квантовой электродинамике, – поясняет один из авторов исследования Стюарт Манглс. – С тех пор все остальные фундаментальные предсказания квантовой электродинамики получили экспериментальные подтверждения. Все, кроме процесса Брейта-Уилера".

По его словам, успех эксперимента позволит воссоздать процесс, который имел крайне важное значение в первые 100 секунд существования Вселенной после Большого взрыва.

Также процесс преобразования света в вещество имеет место при гамма-всплесках, добавляет Манглс, а это крупнейшие "взрывы" во Вселенной, а также одна из величайших загадок современной физики.

Ну и разумеется, эксперимент будет иметь колоссальное значение – как средство закрыть одную из крупнейших брешей в теории квантовой электродинамике.