科学家反演了物质和反物质“湮灭”的过程

把光变成物质和反物质？

1905年爱因斯坦发表了一篇极为短小的论文。当时可能连他本人都没有想到，这篇论文有改变世界格局的能力。

论文阐述了如何用狭义相对论解释放射性元素衰变过程中的一种奇怪现象：某些镭盐释出的粒子带有高于其化学构成所能提供的能量。爱因斯坦解释说，这些额外的能量来自于原子核内粒子质量的减少。这一观点就是质能方程E=mc²的基础。

质能方程表明物质和能量是等价的，它们是一枚硬币的两个面。质能方程还意味着物体的显性质量和能量取决于它和观察者的相对运动。存在于质量和能量之间的错综复杂的关系，与空间和时间之间的关系十分相似。而这种关系的最直接后果，是在条件合适的前提下，质量能够变成能量。该原理使得核武器的制造成为可能。

放射性元素的衰减是对这一过程的自然诠释。这种效应也能解释恒星的燃烧：它们的内核正在通过核聚变产生能量。

质量能够转变成能量，反过来能量也能转化成质量，但要困难得多。科学家只有通过粒子加速器才能办到这一点。加速器能够把粒子加速到近光速，然后让它们对撞。粒子的显性质量有很多会在这一过程中被转化成巨大的能量，而一部分能量随后又会变回粒子。

爱因斯坦的这篇只有2页的论文，可以说是所有现代粒子物理学的鼻祖。但是作为物理学法则，它并不只告诉我们物质和能量能够互相转化，它还对物质和能量转化的本质作出了界定。

最简单的例子是电子和正子的湮灭。电子和它的反物质粒子——正子一旦相遇就会化为纯能量。这两种粒子的质量是相等的，但所带的电荷相反，因此它们相遇后会产生两个高能光子。电子的质量和正子的质量被全部转化成了能量。对这一过程的验证设想早在1930年代就已被提出，但直到1970年才被完成。

假如我们能够把质量转化成能量，那么理论上相反的过程也能实现。这意味着我们要把两个光子撞在一起，然后制造出一个电子和一个正子。虽然用光制造物质已间接实现，但要把两个光子直接转化成物质十分困难。

不过物理学家最近完成了这一实验。研究人员使用“相对论重离子对撞机”进行了6000多次电子正子对制造实验。实验并非让激光简单地对射，而是让高能粒子对撞产生大量光子。这些光子之间会偶发性地碰撞，进而制造出电子正子对。通过数据分析，研究人员就可以知道，在此过程中有多少粒子堆被制造了出来。

这样的转化过程必须在强磁场中进行，研究人员趁此机会还对另外一种有趣的效应进行了验证。这种效应被称为真空双折射。

光在穿过方解石这样的介质时，会受不同偏振率的影响而被分成两道。在真空中，光也会因穿越强磁场而被分解成两道，两道偏振率不同的光前进路线稍有不同。

只要稍作思考，我们就会感受到这种现象背后的奇妙之处。这意味着我们仅仅使用磁场，就让光的传播路径在真空中发生了改变。

在天文学上，科学家曾经在来自中子星的光线身上观测到真空双折射；而在实验室中还是第一次。

参考

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

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.052302