Превращение света в вещество теоретически предсказали Грегори Брейт и Джон Уилер в 1934 году. При этом они руководствовались знаменитой формулой Эйнштейна E = mc^2и строили свои рассуждения строго в рамках ОТО, декларирующей эквивалентность массы и энергии. По их расчётам выходило, что при прямом столкновении фотонов друг с другом должны рождаться электронно-позитронные пары. Эти расчёты не были плодом фантазии скучающих теоретиков и проводились не на пустом месте. Им (теоретическим расчётам) предшествовали многочисленные экспериментальные наблюдения позитронов - античастиц с массой и величиной заряда электрона, но противоположным знаком. В этих экспериментах позитроны при столкновении с электронами аннигилировали, в результате материя этих частиц бесследно исчезала, превращаясь в энергию, излучаемую в окружающее пространство в виде безмассовых фотонов. Рассуждая логически, Уилер и Брейт предположили, что столкновение двух фотонов может дать обратный эффект. Проведя соответствующие вычисления, они опубликовали свои выводы о теоретической возможности создания материи из света. При этом сами авторы этой теории благоразумно предупредили физиков-практиков, что такое превращение в реальных экспериментах наблюдать невозможно из-за сложности реализации лобового столкновения двух высокоэнергичных фотонов. Действительно представить себе как можно заставить два фотона столкнуться друг с другом лоб в лоб даже в наше время весьма проблематично.
Тем не менее, в 1997 г. в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) была проведена серия экспериментов, в ходе которых вроде бы зафиксировали процесс Брейта-Уилера. С кратким отчётом о результатах этого эксперимента можно познакомиться по ссылке. В этом эксперименте сталкивались релятивистские электроны с фотонами, излучаемыми неодимовым поляризованным лазером, в результате таких столкновений наблюдали достаточно большое количество позитронов - от 10^6 до 10^14 штук на один акт излучения. Так как в описываемом эксперименте столкновение фотонов происходило не напрямую, а опосредовано, путём переизлучения фотонов от электронов, то многие учёные усомнились в чистоте данного эксперимента. Мол, фотоны там были не настоящие, поэтому говорить о синтезе материи из света преждевременно.
И вот спустя 87 лет, в 2021 году, команда физиков из Брукхейвенской национальной лаборатории заявила, что им удалось обойти это ограничение. На релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) они впервые в мире наблюдали процесс Брейта-Уилера в действии, как результат непосредственного столкновения фотонов с фотонами. Естественно, что это открытие было преподнесено как очередной блестящий триумф теории относительности. В частности по результатам эксперимента было сделано следующее заявление – «Наши результаты дают чёткие доказательства прямого одноэтапного создания пар материя-антиматерия в результате столкновения света, как первоначально предсказывали Брейт и Уилер». Будучи убеждённым противником ОТО, я заинтересовался этими исследованиями и потратил немного своего времени на изучение методики и инструментария анонсированных экспериментов по превращению энергии в материю. Если вам, уважаемые читатели, эта тема интересна, то готов поделиться своими соображениями по поводу очередного «успеха» ОТО.
Итак, релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории является первым ионным ускорителем на двух пересекающихся кольцах. Два независимых кольца пересекаются в шести местах и позволяют разгонять тяжёлые ионы до релятивистких скоростей во встречных направлениях. До пуска БАК (большого адронного коллайдера) RHIC имел статус самого мощного ускорителя в мире. Однако и сегодня по многим параметрам он не уступает БАК. Например, в описываемом эксперименте ионы золота были разогнаны до 99,995% скорости света. Почему использовались ионы золота, а например, не свинца, мне не совсем понятно. Может быть, потому что золото блестит и его лучше видно в коллайдере (шутка), а может быть просто в Брукхейвене (штат Нью-Йорк, США) это золото некуда девать и местные физики решили таким экстравагантным способом избавляться от дьявольского металла (опять шутка). Сами экспериментаторы объяснили свой выбор тем, что в состав атомного ядра золота входит 79 протонов, а им как раз нужно было как можно больше положительно заряженных ионов, которые RHICспособен разогнать до релятивистских скоростей. Идея эксперимента достаточно проста. Ионы золота, разогнанные внутри коллайдера до около световых скоростей, генерируют мощное магнитное поле перпендикулярное электрическому полю, разгоняющему эти частицы. Здесь работает тот же механизм, что и в рамке с током на уроке школьной физики. В результате пересечения магнитных полей ионов с электрическим полем коллайдера, вокруг ионов формируется достаточно мощное свечение, представляющее собой облако фотонов, окружающих ионы и перемещающихся вместе с ними по кольцевому коллайдеру. Дальше задача сводится к тому, что бы два пучка ионов направить по двум разным кольцам коллайдера навстречу друг другу с таким расчётом, чтобы в точке пересечения колец сами ионы разминулись, а сопровождающие их облака фотонов столкнулись своими краями в пространстве коллайдера прямо напротив детектора STAR. Нужно отдать должное специалистам Брукхейвенской лаборатории, с этой непростой задачей они справились блестяще. В итоге экспериментаторам удалось таки столкнуть два высокоэнергичных облака фотонов друг с другом. Примерно так, как показано на картинке ниже.
И что вы думаете, они действительно зарегистрировали многочисленные факты возникновения электронно-позитронных пар. Всего более 6000 (шести тысяч) случаев. Ну, если придерживаться более корректной научной терминологии, то не сами факты столкновения фотонов и возникновения частиц и античастиц из света, а только следы, так называемые треки, частиц с массами и зарядами электронов и позитронов. На сухом языке научных отчётов, результаты эксперимента звучат довольно скупо – «В результате периферических столкновений фотонных облаков ионов Au в кросс-камере высокочувствительного многофункционального детектора STAR, были зафиксированы многочисленные треки частиц с массой порядка 0,5МэВ и зарядом плюс/минус 1е». Собственно вот это событие и было преподнесено как реальное наблюдение процесса Брейта-Уилера. Знаете, я не перестаю удивляться «резиновым» способностям ОТО – порой кажется, что её и впрямь можно «натянуть» абсолютно на любой эксперимент и тут же объявить об очередном блестящем подтверждении. Но оставим свой преждевременный скепсис и вернёмся к нашим электронно-позитронным парам, возникшим даже не из воздуха, а из света. Думаю, что у многих читателей, как и у меня, возник резонный вопрос – зачем сталкивать положительные ионы, окутанные облаками из фотонов, если можно столкнуть непосредственно сами фотоны? Хочу вас обрадовать, кроме нас с вами умные люди встречаются и среди профессиональных учёных, которые задаются этим же вопросом. Более того, они даже планируют поставить соответствующий эксперимент по прямому столкновению квантов света от двух мощных лазеров. В частности над этой проблемой работает международная команда физиков из Дрезденского центра имени Гельмгольца. Об этом заявил руководитель проекта, физик из Калифорнийского университета Алексей Арефьев. Но пока такой эксперимент, увы, не поставлен. Узнать больше о его подготовке можно здесь (Лазерные клещи сжимают материю…). Я же, предваряя результаты будущего эксперимента, возьму на себя смелость предсказать, что синтезировать пару электрон-позитрон из чистого света не удастся. И вот почему. Для начала я хотел бы напомнить вам об одном достаточно хорошо изученном феномене из жизни нейтронов. Время жизни нейтрона в свободном состоянии составляет всего 880 ± 0,9 с. Т.е. отделившись от атомного ядра, свободный нейтрон существует не дольше 15 минут и после этого распадается на протон и электрон. Почему это происходит науке пока неизвестно. Но сам факт стабильного распада свободного нейтрона надёжно подтверждён многочисленными экспериментами. Более того, в ходе этих экспериментов также надёжно было установлено, что нейтрон способен распадаться на антипротон и позитрон. Вот так:
Представленная модель трансформации нейтрона недвусмысленно свидетельствует, что нейтроны не самостоятельные частицы, а составные. Причём, «строительными кирпичиками» нуклонов являются не выдуманные кварки, а абсолютно реальные электроны и позитроны, точнее их связанные пары. Наверняка многие из вас слышали о существовании такого экзотического атома, как позитроний. Позитроний состоит из одного электрона и одного позитрона.
Экспериментально такая пара впервые была обнаружена в 1951 году немецким физиком Мартином Дойчем. Так вот каждый нейтрон состоит из 919 позитрониев или электронно-позитронных пар. Эта цифра получена в результате деления массы нейтрона на массу пары электрон-позитрон и легко проверяется. Думаю, что теперь ход моих мыслей по поводу материализации света в эксперименте Брукхейвенской национальной лаборатории стал вам понятен. Как уже отмечалось выше, в этом эксперименте использовались положительно заряженные ионы золота. Другими словами голые атомные ядра без электронов. Одно атомное ядро золота содержит 79 протонов и 118 нейтронов. Здравый смысл и элементарная логика говорят нам, что при столкновении встречных потоков ионов на релятивистских скоростях распад нейтронов на протоны и электроны, либо на антинейтроны и позитроны, более вероятное событие чем «сборка» электронов и позитронов из фотонов. В пользу такого развития событий говорит хотя бы тот факт, что распад нейтрона на составные части регулярно наблюдается в других экспериментах, а синтез электронов и позитронов из квантов света нигде и никогда себя не обнаруживал. Я предполагаю, что в описанном выше эксперименте в момент встречи потоков положительных ионов золота в трековой камере коллайдера один из них преимущественно генерировал электроны, а другой позитроны. Это предположение основано на достаточно простой идее о том, что электрон и позитрон это одна и та же частица, по-разному ориентированная в пространстве относительно собственной оси вращения.
Кстати в рамках этой гипотезы аннигиляция это не таинственное исчезновение материи, а всего лишь демонтаж материальных объектов до уровня элементарных неделимых частиц материи. Прочитать об этом можно в другой моей статье на дзене – «Аннигиляция и барионное проклятие».
Предложенное толкование результатов Брукхейвенского эксперимента по синтезу материи из света хорошо ещё и тем, что избавляет экспериментаторов от необходимости объяснять явное нарушение законов сохранения. Ведь вы конечно помните, что согласно стандартной модели фотоны это безмассовые частицы. Превращение энергии света в массу материи и антиматерии это грубейшее нарушение закона сохранения материи, которая не исчезает бесследно и не возникает из ниоткуда.
Завершая разбор ещё одного «научного волшебства» в исполнении ОТО, хочу процитировать Юлиуса Фучика – «Люди будьте бдительны». Всякий раз, услышав или прочитав об очередном блестящем подтверждении ОТО, вы должны знать, что вас опять вводят в заблуждение. Там где фигурирует теория относительности, речь может идти только об искажённой картине мира и ни о чём больше. Не может быть работоспособной теория, выстроенная на непрочном фундаменте досужих предположений.
