由大阪大学和加州大学圣地亚哥分校的研究人员领导的一个研究小组利用模拟实验证明了如何在实验中仅用光就能产生物质，这在未来可能有助于检验关于宇宙组成的长期理论。量子物理学最惊人的预言之一就是物质可以完全由光（即光子）产生，事实上，被称为脉冲星的天体就实现了这一壮举。以这种方式直接生成物质还没有在实验室中实现过，但这将有助于进一步检验基础量子物理学理论和宇宙的基本构成。

在最近发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一项研究中，大阪大学研究人员领导的研究小组仅通过激光就模拟出了光子-光子碰撞的条件。由于设置简单，而且易于在现有激光强度下实现，因此有望在不久的将来进行实验。

由等离子体中传播的强激光脉冲驱动的自组织光子对撞机图像。资料来源：Yasuhiko Sentoku

理论上，光子-光子对撞是宇宙中产生物质的基本手段，它源于爱因斯坦著名的方程E=mc²。事实上，研究人员已经间接地从光中产生了物质：通过高速加速金等金属离子相互碰撞。在如此高的速度下，每个离子都被光子包围，当相互擦过时，就会产生物质和反物质。

然而，在现代实验室中，仅利用激光产生物质是一项挑战，因为需要使用极高功率的激光。模拟如何在实验室中实现这一壮举可能会带来实验上的突破，因此这正是研究人员着手进行的工作。

"模拟实验证明，当与激光器的强电磁场相互作用时，致密等离子体可以自组织形成光子-光子对撞机，"该研究的第一作者杉本博士解释说。"这个对撞机包含密集的伽马射线群，其密度是等离子体中电子密度的十倍，其能量是激光器中光子能量的一百万倍"。

由强激光脉冲驱动的自组织光子对撞机（a）等离子体密度，（b）磁通道，（c）发射光子的角度分布。来源：《物理评论快报》

对撞机中的光子-光子对撞会产生电子-正电子对，激光产生的等离子体电场会加速正电子。这就产生了正电子束。

"这是首次模拟在相对论条件下从线性布雷特-韦勒过程中加速正电子，"加州大学圣地亚哥分校的合著者阿雷菲耶夫教授说。"我们认为我们的建议在实验上是可行的，我们期待着在现实世界中付诸实施"。

支持这项工作的美国国家科学基金会项目主任维亚切斯拉夫-卢金（Vyacheslav Lukin）博士说："这项研究展示了在实验室环境中探索宇宙奥秘的潜在途径。今天和未来的高功率激光设施的未来可能性变得更加引人入胜"。

这项工作在《星际迷航》中虚构的物质-能量转换技术中的应用仍然只是虚构。不过，这项工作有可能有助于通过实验证实宇宙构成理论，甚至可能有助于发现以前未知的物理学。

参考文献：K. Sugimoto、Y. He、N. Iwata、I-L. Yeh、K. Tangtartharakul、A. Arefiev 和 Y. Sentoku，2023 年 8 月 9 日，《物理评论快报》。

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.065102

编译来源：ScitechDaily