把光變成物質和反物質？

1905年愛因斯坦發表了一篇極為短小的論文。當時可能連他本人都沒有想到，這篇論文有改變世界格局的能力。

論文闡述瞭如何用狹義相對論解釋放射性元素衰變過程中的一種奇怪現象：某些鐳鹽釋出的粒子帶有高於其化學構成所能提供的能量。愛因斯坦解釋說，這些額外的能量來自於原子核內粒子質量的減少。這一觀點就是質能方程E=mc2的基礎。

質能方程表明物質和能量是等價的，它們是一枚硬幣的兩個面。質能方程還意味著物體的顯性質量和能量取決於它和觀察者的相對運動。存在於質量和能量之間的錯綜複雜的關係，與空間和時間之間的關係十分相似。而這種關係的最直接後果，是在條件合適的前提下，質量能夠變成能量。該原理使得核武器的製造成為可能。

放射性元素的衰減是對這一過程的自然詮釋。這種效應也能解釋恆星的燃燒：它們的核心正在透過核聚變產生能量。

質量能夠轉變成能量，反過來能量也能轉化成質量，但要困難得多。科學家只有透過粒子加速器才能辦到這一點。加速器能夠把粒子加速到近光速，然後讓它們對撞。粒子的顯性質量有很多會在這一過程中被轉化成巨大的能量，而一部分能量隨後又會變回粒子。

愛因斯坦的這篇只有2頁的論文，可以說是所有現代粒子物理學的鼻祖。但是作為物理學法則，它並不只告訴我們物質和能量能夠互相轉化，它還對物質和能量轉化的本質作出了界定。

最簡單的例子是電子和正子的湮滅。電子和它的反物質粒子——正子一旦相遇就會化為純能量。這兩種粒子的質量是相等的，但所帶的電荷相反，因此它們相遇後會產生兩個高能光子。電子的質量和正子的質量被全部轉化成了能量。對這一過程的驗證設想早在1930年代就已被提出，但直到1970年才被完成。

假如我們能夠把質量轉化成能量，那麼理論上相反的過程也能實現。這意味著我們要把兩個光子撞在一起，然後製造出一個電子和一個正子。雖然用光製造物質已間接實現，但要把兩個光子直接轉化成物質十分困難。

不過物理學家最近完成了這一實驗。研究人員使用“相對論重離子對撞機”進行了6000多次電子正子對製造實驗。實驗並非讓鐳射簡單地對射，而是讓高能粒子對撞產生大量光子。這些光子之間會偶發性地碰撞，進而製造出電子正子對。透過資料分析，研究人員就可以知道，在此過程中有多少粒子對被製造了出來。

這樣的轉化過程必須在強磁場中進行，研究人員趁此機會還對另外一種有趣的效應進行了驗證。這種效應被稱為真空雙折射。

光在穿過方解石這樣的介質時，會受不同偏振率的影響而被分成兩道。在真空中，光也會因穿越強磁場而被分解成兩道，兩道偏振率不同的光前進路線稍有不同。

只要稍作思考，我們就會感受到這種現象背後的奇妙之處。這意味著我們僅僅使用磁場，就讓光的傳播路徑在真空中發生了改變。

在天文學上，科學家曾經在來自中子星的光線身上觀測到真空雙折射；而在實驗室中還是第一次。

參考

Measurement of e？e？ Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions

https：//journals。aps。org/prl/abstract/10。1103/PhysRevLett。127。052302