布莱特-惠勒过程:光子-光子碰撞,从能量到物质的转化

万象经验 2023-04-18 16:40:48

光子是光的基本组成单位,它们是无质量的,以光速在真空中传播。物质粒子是构成物质的基本组成单位,它们有质量。那么,无质量的光子是否可以转化为有质量的物质粒子呢?这个问题涉及到量子电动力学的一个重要预言:布莱特-惠勒过程。

1934年,物理学家布莱特(Breit)和惠勒(Wheeler)预言了一种物理过程,即两个高能光子通过极化脉冲式电磁场时,发生对撞则可以生成一对正负电子。这个过程称为布莱特-惠勒过程(Breit-Wheeler process),也是将纯粹能量形式的光转换成物质的最简单方式。

然而,要实现这个过程并不容易。首先,光子之间的相互作用非常微弱,因为它们都带有零电荷,只能通过高阶圈图来交换虚拟电子-正电子对。其次,要产生足够重的电子-正电子对,需要非常高的光子能量。根据能量-动量守恒和相对论性动能公式,可以推导出两个光子的最小能量分别为:

其中m_e是电子静止质量,c是光速,θ是两个光子入射角。当θ=90°时,两个光子的最小能量都等于m_ec²,约为0.511 MeV。这意味着要用可见光或红外光来实现Breit-Wheeler过程是不可能的,因为它们的能量远低于0.511 MeV,只有用X射线或伽马射线才有可能。

光子-光子碰撞机

要实现光子-光子碰撞,需要有高能的光子源和高精度的对准装置。目前,有两种主要的方案来制造和控制高能光子:一种是利用激光和电子束的相互作用,另一种是利用重离子的超边缘碰撞。

激光-电子束方案的基本原理是利用逆康普顿散射,即用低能激光束撞击高能电子束,从而产生高能伽马射线束。然后再让两束伽马射线束相互对撞,即可实现光子-光子碰撞。这种方案的优点是可以利用现有的粒子加速器和激光器技术,而且可以调节入射角度和偏振状态来控制碰撞参数。这种方案的缺点是需要非常高的对准精度和稳定性,而且碰撞截面很小,产生的事件数很少。

重离子超边缘碰撞方案的基本原理是利用重离子在运动中产生的强大电磁场,这相当于一束高能光子束。然后让两束重离子错开彼此,但是它们的电磁场却会相互交叠,从而实现光子-光子碰撞。这种方案的优点是可以利用现有的重离子对撞机,而且碰撞截面很大,产生的事件数很多。这种方案的缺点是不能调节入射角度和偏振状态,而且背景噪声很大。

实验进展

由于Breit-Wheeler过程的难度很大,直到目前为止,在实验室中还没有直接观察到纯粹的光子-光子碰撞产生物质的现象。虽然没有直接观察到两个真实光子相撞产生物质,但是有一些实验观察到了一个类似的过程:一个真实光子和一个虚拟光子相撞产生物质。

例如在斯坦福直线加速器(SLAC)上,利用低发散度的46.6 GeV电子束与强激光脉冲相互作用,观察到了正负电子对的产生。在欧洲核子研究中心,利用大型强子对撞机上铅-铅碰撞中铅离子周围的强电磁场,观察到了正负电子对、正负μ子对、正负τ对。

这些实验结果都表明,光子-光子碰撞产生物质是可能的,只要有足够的能量和合适的条件。这些实验也为验证量子电动力学的预言和探索新物理提供了有价值的数据和方法。未来,随着加速器和激光器技术的发展,我们有望在实验室中直接观察到纯粹的光子-光子碰撞产生物质的过程,从而揭开光与物质之间的奥秘。

12 阅读:835
评论列表
  • 2024-07-05 09:31

    高能光子,可生成,正,反电对,理论成立

  • 2023-05-04 22:05

    所谓的光的双缝干涉一观察就会坍塌是某些科学家选择性眼瞎?因为用最简单最原始的实验无论你怎么观察双缝干涉条纹都不会消失。很简单用一黑纸皮刻2条相互靠近的双缝,在一个暗室用激光笔照射缝选择适当的距离用白色的墙壁做屏幕即可,就可以稳定地观察到光的双缝干涉条纹。无论你用什么角度,用双眼或者用单眼观察干涉条纹都不会消失,无论用胶片相机还是数码相机拍照干涉条纹也不会消失何来的一观察就坍塌?也许他们的所谓观察是在双缝上装探测器,这样的所谓观察难道不是因为所装的探测器影响光干涉的条件吗?这种观察难道不是选择性眼瞎吗?我不明白为什么那么多科学家会选择性眼瞎!假如光是粒子是正确的,在双缝上装上探测器,当单个“光子”通过时如果进入探测器那么它就无法到达屏幕,因为按这个假设无论它是真正的粒子还是所谓的能量子它通过探测器时只有被它吸收了才能探测到,被探测器吸收了那它就无法去到荧屏。如果“光子”能通过探测器到达荧屏那么探测器就探测不到它!因此这种所谓的探测实验是根本做不出来的,电子双缝双实验原理也是一样的。能做出来就说明自称所谓的单“光子”或单电子是假的,而是有部分光波或电子被探测器捕获一部分通过双缝到达荧屏

  • 2023-05-04 22:05

    光的电磁波理论遇到最大的难题就是解释光电效应实验。我已经成功地用电磁感应原理完美地解释了光电效应实验。而且还完美地解释了假设的光子撞击电子为什么电子的逸出方与入射光方向无关的问题。而用偏振光做光电效应实验却对逸出电子的逸出方向相关!而且还能解释少量逸出电子的能量与入射光的能量成倍增加。而这些把光假设成粒子是无法解释光电效应的这些实验结果的。唯有用电磁感应原理来解释光电效应实验才能完美地解释这些实验结果。既然不存在“光量子”何来的量子通信?如果真的存在量子纠缠,那么用电子纠缠来做量子通信是最容易实现的。先制备一对纠缠态的电子把其中一个电子用导体移动到另一端(可以是1米或几万K米),然后测量其中一个电子的状态另一个电子的状态就确定了,这样就可以做出真正的量子通信了!而不用激光来骗人了。目前世界上根本就没有人能做出真正的纠缠态电子对,所以只能用偏振光的交织说成是什么光子纠缠来骗人其实本质上还是激光通信。

    专怼网谍 回复:
    看了您的三段评论,同意您的意见,我没有实验,是通过思辨确定没有光子,光的波粒二象性也是错误结论。
  • 2023-06-10 22:57

    正電子的發現本來就是中彩票,本質也模糊不清。到現在,科技已經是相當的水平,一次真正意義的光光湮滅產生電子對都沒有實現。

  • 2023-06-12 15:58

    現在來看,這個引力的本質是什麼,牛頓力學中的靜質量與靜質量的相互作用是否一定堅持。這個回答很關鍵。對於反物質某些解釋,以前都是考慮質量。

  • 2023-05-04 22:06

    中国人如果能打破崇洋媚外的心理,在光的本质属性问题上实现物理学理论的突破将会为为物理学作出重大贡献!希望有志于实现中国物理学突破的人联合起来共同攻关,只要做出几个关健性的实验就能成功突破。第一,用偏振光做光电效应实验准确测出逸出电子方向与偏振光的偏振方向的关系。第二,用钠做发射极用黄光(钠原子光谱)做光电效应实验测出逸出电子能量倍增的规律。第三,用不同金属材料来做电子双缝干涉实验的双缝,用这种双缝(金属接地)来做电子双缝干涉实验,观察实验结果。如果这3个实验结果与推论相符,那么证据就确凿了。就可以证明光子论和波粒两象性是错误的了!这样就可以带来一系列新的物理理论的出现!比如说原子模型也可能要重新定义。想一想都觉得激动!。测不准原理并非真的测不准。而是当光波或电子进入探测器时如果探测到了光波或电子的能量就被消耗掉了,如果顺利通过探测器那么探测器就没有探测到光波或电子也就没有干扰到光波或电子,那么它就会现相关的干涉现象了。

  • 2023-06-11 04:34

    這實驗怎麼控制光子路徑,搞不好就是干涉。

  • 2023-06-11 14:40

    而且碰撞點的預測極為重要,是時間軸向觀測還是時間切片觀測預先都要設計完好。觀測效果必須考慮相對論效應。

  • 2023-06-11 14:59

    要是證明反光子存在,那物理學將會有一場大洗牌。光的雙縫干涉就可以不用波動性解釋。光就是粒子,暗条纹就是反光子與光子碰撞成像的結果。

  • 2023-06-11 06:56

    這裏所提及的實驗結果:正負電子對。應該稱為正負電子糾纏態,或是電子糾纏對。這是光信息提取。人工做的光子達不到宇宙光線經歷的環境。結果必然達不到預期。

  • 2023-06-11 13:24

    光還會選擇質量。

  • 2023-06-11 14:29

    正電子與負電子成對后,馬上放出方向相反兩個伽馬光子,然后質量為零,不存在。理論上這個過程可逆。但一直沒有找到強有力的立足點。

  • 2023-06-12 17:22

    在愛因斯坦的相對論中,對引力的安排是作等效原则處理。按道理這其實就是否定了引力。這樣對于接受量子力學是非常有利的。但真的面對疊加態,愛因斯坦拿出的防禦武器卻是區域實在性(物質實在性),還是牛頓力學中的引力。这就要求物理學對引力機制的解釋絕非等效這麽簡單,必須從本質上來進行定義。

  • 2023-06-12 10:29

    有些以太味道。

  • 2023-04-21 11:01

    这种毫不存在科学道理和原理的学识,请不要误导初学者。

    杯杯 回复:
    非也,特斯拉也说过,光,一切都是光。
  • 2023-05-04 22:06

    到目前为止人类连光的本质属性都没搞清楚更不要说控制单个光脉冲了!我的理论是根据电磁波原理(振荡电流产生电磁波)推导出光波是由单个电子振动产生的电磁波,一个电子振动一次产生一个光脉冲,一群电子振动产生一群光脉冲。你所说的所谓单光子目前人类还无法做到,因为人类到目前为止连控制一个原子都做不到更不要说控制一个电子。你所说的探测,目前所有的探测手段也只探测一群光波,因为目前所有的感光材料都要有一定量的光波作用才能体现出来。你所谓单光子双缝干涉实验实际上是一群光波在起作用,只是要达到一定的量才能在屏幕上显示出来。你再疏理一下所有的物理理论。如果还原光的电磁波属性,用光的电磁感应原理解释光电效应,解释黑体辐射现象(在光的电磁感应原理解释光电效应实验时说的光波作用于电子电子获得的能量就是一份份的,在效果上是不连续的)也就是说光的电磁感应原理也能解释黑体辐射实验。再有就是解释康普顿效应,是光激光辐射引起的,我认为光通透明体是光激辐射也就是入射光激发透明体的电子引起透明体物质的电子共振再发射出光波,晶体里的电子振频率受晶体原子影响,不同角度的电子受激后振荡频率不一样引起康普顿实验结果这样所有物理论都顺了

  • 2023-06-11 13:30

    布萊特-惠特過程,能不能解釋為光子-反光子碰撞。實驗要求一定的反伽馬光子的產量。

  • 2023-06-12 09:12

    可以簡潔描述為:光子作用的區域是明條紋,反光子作用的區域是暗條紋。

  • 2023-06-12 10:57

    現代物理學的四大根本作用力,應該還是在描述物理層面上的靜質量與靜質量,靜質量與動質量,動質量與靜質量,動質量與動質量四個基本作用關係。其中的兩個質量關係,在數學上是可逆的,在物理層面上可逆目前還是沒有依據。

  • 2023-06-12 10:29

    不過,仍然覺得引入反物質是為了使問題描述簡化。反物質的本質可能還是物質引力,能量引力相互作用后,彎曲空間的光學現象。

  • 2024-07-05 09:35

    光子的终极物质,八种颜色,构造图

  • 2023-06-11 07:25

    光多有靈性:會選擇時間,會選擇能量,還會選擇路徑。

    虹伊呢 回复:
    而且碰撞點的預測極為重要,是時間軸向觀測還是時間切片觀測預先都要設計完好。觀測效果必須考慮相對論效應。
  • 2023-06-11 03:16

    物質和反物質可以穩定成對存在?這得推翻多少實驗。

  • 2023-06-23 23:48

    谁证明光子存在,谁可以拿诺物奖。光是电磁波,没有电磁子,所以也不会有什么光子。水波,你找不到水子,声波,你找不到声子,光波,你也找不到光子。波是能量在介质里传播的形式,能量不是物质,光就是电磁波,根本没有所谓的波粒二象性。

  • 2023-07-11 21:26

    惠勒過程中最后會生成兩個光源,所以成像是三組。

万象经验

简介:知识、经验普及