Tudja-e, hogy lehet fényből anyagot létrehozni?

Albert Einstein.

1934-ben jelent meg két fizikus elmélete arról, hogy fotonok ütközéséből anyag jöhet létre, de kísérletileg még nem sikerült bizonyítani. Most egy londoni egyetem fizikusainak talán sikerül.

Évtizedes próbálkozás után egy brit egyetemen talán sikerül fotonból anyagot létrehozni

1928-ban Paul Dirac (1902-1984) angol Nobel-díjas fizikus - aki a kvantummechanika és a relativitáselmélet összehangolásában kiemelkedő munkát végzett - megalkotta az elektron viselkedését leíró Dirac-egyenletet, mellyel megjósolta a pozitront, az elektron antirészecskéjét.

A CERN kutató központban végzett Alpha kísérletben egy bizonyos frekvenciára hangolt lézer fénnyel világították meg a csapdába ejtett antiatomokat, hogy megnézzék, másként viselkednek-e, mint a normál atomok. Forrás:https://www.bbc.com/news/science-environment-38366963

Az antianyag antirészecskék alkotta anyag, minden elemi részecskének van antirészecskéje, melynek tulajdonságai ellentétesek vele.

A pozitron az elektron anitrészecskéje, az elektton negatív, a pozitron pozitív töltésű részecske.

Kozmikus sugárzásban és atommag bomlásokban keletkezik (inverz béta bomlás). Nagy energiájú gamma sugárzás létrehozhat elektron-pozitron párt atommag jelenlétében, ha energiája nagyobb, mint az elektron nyugalmi energiájának a duplája (1,022 MeV - 1 millió elektronvolt -, ez az elekton-pozitron pár nyugalmi tömege), az atommaggal kölcsönhatásba kerülő nagy energiájú fotonból pozitron-elektron páros jöhet létre, ez a párkeltés. A pozitron anyag jelenlétében találkozik egy elektronnal, ilyenkor megsemmisülnek, annihilálódnak és nagy energiájú fotonok keletkeznek. Az annihiláció során E =2 mc² energia sugárzódik ki.

Két fonton ütköztetésével talán létrejöhet anyag

1943-ban Gregory Brett és John Archibald Wheeler fizikusok a Physical Review magazinban publikálták teóriájukat, arról hogy a fényből anyagot lehetne létrehozni. Ők javasoltak először erre egy mechanizmust,

a Breit-Wheeler folyamatot, melynek során két foton ütköztetésekor egy elektron és egy pozitron keletkezik.

Ők az akkor a fény és anyag közti kölcsönhatás új teóriáját használták erre, a kvantumelektrodinamikát. A kavantumelektrodinamika minden más alapvető előrejelzését sikerült bemutatni kísérletileg, kivéve a Breit-Wheeler folyamatot.

Gregory Breit (1899-1951) és Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984). Forrás: https://learninglab.si.edu/resources/view/28676

Fotonokat ütköztetni, hogy elektront és pozitront produkáljanak, hatalmas energiát kíván. Korábbi kísérleteknél más nagy erejű részecskék hozzáadása volt szükséges. A korábbi kísérletekben egy elektron sugarat ütköztettek arannyal, az ütközés következtében nagy energiájú gamma sugár fotonok keletkeztek, az arany belsejében keletkező üregben pedig szintén nagy energiájú röntgen fotonok. A fotonok ütközésekor pedig elektron és pozitron kellene hogy létre jöjjön.

John Archibald Wheeler (1911-2008). Forrás: https://www.ias.edu/scholars/john-archibald-wheeler

Most az Imperial College London brit egyetem fizikusainak talán sikerül a fényből anyagot létrehozni. 2014-ben a Steven Rose professzor vezette csapat egy ötlettel jött elő, mellyel közvetlenül a fotonokból hoznának létre anyagot.

A szoba, ahova a lézersugarakat fókuszálják. Forrhttps://phys.org/news/2018-03-underway.html

Az Imperial fizikusai lézer berendezésekben tesztelik a teóriát, néhány detektor a CERN-ből, a megfelelő lézer rendszer - Gemini Laser - Oxfordból, az STFC (Science and Technology Facilities Council Rutherford Appleton Laboratory's Central Laser Facility kutató laboratóriumból van.

Két nagy energiájú lézersugárral fotonokat hozanak létre, melyeket ütköztetnek egymással.

A fotonok egyikének energiája kb. 1000-szerese a látható fény energiájának, a másiké 1 milliószorosa. A kísérleti szobában van két különálló kis cél, melyek komplex optikát és egy mágnest tartalmaznak. Az optika a lézersugarat fókuszálja, a mágnes eltéríti a töltött részecskéket, azaz a pozitronokat. A fizikusok azt figyelik, keletkeznek-e, pozitronok, és ha igen gondosan analizálni kell, hogy a Breit-Wheeler folyamtból származik-e, és nem más háttérfolyamatokból.

A szoba a lézert fókuszáló optikával. Forrás: https://phys.org/news/2018-03-underway.html

A sikeres kísérlet demonstrálná Einstein híres tömeg-ekvivalencia képletét: E₀ = mc², ahol E₀ a test nyugalmi energiája, m a tömeg, c a fénysebesség. A képlet a tömeg és az energia ekvivalenciáját mutatja. Az anyag az energia egyik formája. Ezzel kiszámítható, hogy mennyi energia termelődik, amikor az anyag energiává alakul. A fizikusok e kísérletben ezt mutatnák meg, csak éppen fordítva, fotonokat alakítanak tömeggé: m = E₀/c² .

A szoba, ahol fotonokból próbálnak anyagot létrehozni. Forrás:https://phys.org/news/2018-03-underway.html

Bár a tömeg és az energia közti kapcsolat nem volt új, Einstein volt az első, aki 1905-ben helyesen felállította képletével a kapcsolatot. Ez az információ vezetett a nukleáris reaktorok és az atombomba létrehozásához.

Albert Einstein. Forrás: Popperfoto/Getty Images/2011 Popperfoto/Popperfoto/Getty Images

Ha egy 1 kilogramm arany elég energiát nyel el hogy 10 °C-ra felmelegedjen, az arany tömege nő, de csak nagyon kicsit, 1,000000000000014 kg lesz a tömege és ha kisugározza ugyanazt a mennyiségű hőt és lehűl, a tömege visszacsökken ugyanazzal a mennyiséggel. A rendszer teljes energiája ugyanannyi marad, semmi energia nem jön létre vagy semmisül meg.

Egy kis mennyiségű tömeg hatalmas mennyiségű energiát tartalmaz, sokkal többet, mint amennyi felszabadul a hagyományos kémiai reakciókban. Például 378 liter gázolaj égésekor kb. 132 millió joule energia keletkzik, de ha a teljes tömeget közvetlenül energiává alakítjuk, akkor 2 milliárdszor annyi, azaz 270 000.000.000.000.000 joule energia szabadul fel.

A Nagaszakira 1945. augusztus 9-én ledobott atombomba gombafelhője. A Hirosimára és Nagaszakira ledobott atombombák egyenként 15 kilotonna és 20 kilotonna trotil robbanásával megegyező energiával sújtott le a két városra. 1 kilotonna 1.000 tonna trotil robbanóerejével egyenő Forrás: Library Of Congress

A nukleáris reaktorok és a nukleáris bombák a maghasadás vagy a magfúzió elvén működnek, az előbbinél széthasítják az utóbbinál egymásnak ütköztetik az atomokat. Maghasadással működik at atombomba, magfúzióval a hidrogénbomba Ezek a nukleáris reakciók azonban nem alakítják át a teljes tömeget energiává.