فیزیکدان‌ها غیرممکن را ممکن می‌کنند: تبدیل نور به ماده!
چگونه می‌توان انرژی را به ماده تبدیل کرد؟
مجله علمی ایلیاد - حتماً با معادله‌ی معروف هم‌ارزی ماده و انرژی انیشتین آشنا هستید. همان E = mc² . حال فرض کنید پارامتر m را به یک سمت معادله منتقل کنیم. یعنی m = E/c². تبدیل انرژی (یا در اینجا پرتوهای نور) به ماده، از دیدگاه نظری قابل انجام است. ولی وقتی پای عمل به میان می‌آید، کار پیچیده‌تر از آن است که به نظر می‌رسد.
۸۴ سال پیش، انجام چنین کاری به شکل نظری مطرح شد، ولی هیچ‌گاه دانشمندان در عمل موفق به انجام آن نشدند. حال، گروهی از محققین قصد انجام این کار را دارند و در حال شروع آزمایش‌های مقدماتی به همین منظور هستند. به این فرآیند، «بریت-ویلر» گفته می‌شود که بر پایه‌ی همان معادله‌ی E=mc² کار می‌کند. در سال ۱۹۳۴ دو فیزیکدان به‌نام‌های «گرگوری بریت» و «جان ویلر» چنین فرآیندی را بررسی کردند که نتیجه‌ی کارشان در مجله‌ی Physical Review منتشر شد. در این مقاله، بریت و ویلر پیشنهاد کردند که اگر دو فوتون سازنده‌ی پرتوهای نور را در هم بکوبیم، نتیجه تشکیل دو ذره‌ی «الکترون» و «پوزیترون» خواهد بود. یعنی شما می‌توانید از نور، ماده بسازید!
انجام این کار در عمل، چندان ساده نیست. در واقع بریت و ویلر فکر می‌کردند که انجام چنین آزمایشی در آزمایشگاه، غیرممکن باشد، چون تلاش آن‌ها برای مشاهده‌ی تشکیل چنین جفت‌ذراتی در آزمایشگاه ناامیدکننده بود. در عصر حاضر، دانشمندان به انجام چنین آزمایشی، خوش‌بین‌تر هستند. اما انجام عملیِ این آزمایش به استفاده از مقدار بسیار زیادی ذرات پرانرژی نیازمند است و تاکنون تولید و بکارگیری چنین حجمی از ذرات در آزمایشگاه‌ها مقدور نبوده است. تا اینکه در سال ۲۰۱۴، پژوهشگران کالج سلطنتی لندن طرح آزمایشی را ریختند که نیاز به استفاده از این ذرات پرانرژی را از بین می‌برد. اکنون آن‌ها قصد دارند این آزمایش را در عمل انجام دهند.
«استیون رُز»، پژوهشگر ارشد و استاد فیزیک در این زمینه می‌گوید: «این نمودی عینی از رابطه‌ی معروف انیشتین است که ماده و انرژی را به هم مرتبط کرده و آن‌ها را هم‌ارز می‌داند. همان E=mc² که به ما می‌گوید در ازای مصرف مقدار مشخصی ماده، چه مقدار انرژی تولید خواهد شد. کاری که ما انجام می‌دهیم همین است، اما به شکل معکوس! تبدیل فوتون‌های حامل انرژی به ماده. یعنی m=E/c²»
تجهیزات مورد نیاز برای انجام این آزمایش که توسط گروه دانشمندان، به «برخورد دهنده‌ی فوتون با فوتون» نام‌گذاری شده، نوع جدیدی از آزمایش فیزیکی است که از دو پرتو لیزر فوق‌العاده قدرتمند بهره می‌برد. یکی از لیزرها، حامل فوتون‌هایی ۱۰۰۰ مرتبه پُرانرژی‌تر از فوتون‌های نور مرئی است و لیزر دوم، فوتون‌هایی یک میلیارد بار قوی‌تر از فوتون‌های نور مرئی خواهد ساخت! برای تولید پرتو لیزر، از شلیک الکترون‌ها به صفحه‌ای از جنس طلا استفاده می‌شود تا جریانی از فوتون‌های پرانرژی به‌راه افتد.
سپس پرتوی دیگری از لیزر به درون لوله‌ای طلایی که به آن «هولورام» گفته می‌شود، شلیک شده تا میدان تابش گرمایی ایجاد شود. این پرتو از درون هولورام عبور کرده و نهایتاً فوتون‌های تولید شده از دو منبع مختلف با یکدیگر برخورد خواهند کرد. اگر چنین آزمایشی در عمل انجام شود، دانشمندان قادر خواهند بود تشکیل پوزیترون (پادالکترون) را در این برخورد تشخیص دهند. لذا دانشمندان می‌بایست با دقت فراوان اطلاعات جمع‌آوری شده از آزمایش را مورد بررسی قرار دهند تا مطمئن شوند که پوزیترون‌های تولید شده، نتیجه‌ی فرآیندهای دیگری نیست. انجام این آزمایشِ شگفت‌انگیر به دانشمندان کمک می‌کند تا جهان پیرامون خود را بهتر بشناسیم.
یکی از پژوهشگران این آزمایش به‌نام «استوارت مانگلز» می‌گوید: «زمانی که گرگوری بریت و جان ویلر برای اولین بار فرآیند انجام این آزمایش را در سال ۱۹۳۴ پیشنهاد کردند، از قواعد علم جدیدی به‌نام «الکترودینامیک کوانتومی» بهره بردند که چگونگی تعامل بین نور و ماده را شرح می‌داد. در حالی که همه‌ی پیش‌بینی‌های الکترودینامیک کوانتومی تاکنون به شکل تجربی مشاهده شده است، ما هرگز موفق به مشاهده‌ی فرآیند برخورد دو فوتون بریت-ویلر نشده‌ایم. اگر ما این‌بار بتوانیم این برخورد را مشاهده کنیم، خواهیم توانست اتفاقات مهمی که در ۱۰۰ ثانیه‌ی ابتدایی تولد کیهان رخ داده را بازسازی کنیم. همچنین این اتفاق در انفجارهای پرتوی گاما نیز مشاهده خواهد شد. این پدیده‌ها، عظیم‌ترین انفجارهای موجود در کیهان و یکی از بزرگترین معماهای حل نشده‌ی فیزیک هستند.»
هنوز ممکن است انجام این آزمایش در عمل با موفقیت همراه نباشد. اما یکی از بخش‌های جالب علم همین است. گاهی باید شاهد عدم موفقیت در آزمایشی بود تا معایب آن‌را پیدا کنیم و دفعه‌ی بعد آن‌را به نحو بهتری تکرار کنیم. ما مشتاقانه در انتظار نتایج این آزمایش خواهیم بود. توضیحات دقیق‌تری در مورد این آزمایش در نشریه‌ی «Nature Photonics» منتشر شده است.
نوشته: میشل استار
ترجمه: اشکان عارفی - مجله علمی ایلیاد
ترجمه: اشکان عارفی - مجله علمی ایلیاد