Δημιουργία ύλης από φως. Matter will be created from light within a year, claim scientists

Ένα από τα πιο τρελά όνειρα της επιστημονικής φαντασίας επιδιώκουν να πραγματοποιήσουν ερευνητές του Imperial College London, προτείνοντας μία μέθοδο που εκτιμούν ότι θα επιτρέψει στη δημιουργία ύλης από το φως. Imperial College London physicists have discovered how to create matter from light - a feat thought impossible when the idea was first theorised 80 years ago. In theory light and matter are interchangeable, but a practical demonstration was thought to be impossible. Photograph: Lawrence Manning/Corbis

Η δυνατότητα δημιουργίας ύλης από το φως είναι μια από τις πιο εντυπωσιακές προβλέψεις της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής. Ο απλούστερος μηχανισμός όπου καθαρό φως μετατρέπεται σε σωματίδια είναι ο μηχανισμός Breit-Wheeler, σύμφωνα με τον οποίο παράγεται ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου: γ + γ´ → e+ + e+, δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ σε εργαστήριο.

Η πειραματική διάταξη μετατροπής του φωτός σε ύλη. Schematic of the photon–photon collider. Writing in the journal Nature Photonics, the scientists describe how they could turn light into matter through a number of separate steps. The first step fires electrons at a slab of gold to produce a beam of high-energy photons. Next, they fire a high-energy laser into a tiny gold capsule called a hohlraum, from the German for "empty room". This produces light as bright as that emitted from stars. In the final stage, they send the first beam of photons into the hohlraum where the two streams of photons collide.

Σε δημοσίευσή τους στο Nature Photonics την Κυριακή οι Ο. Τζ. Πάικ, Φ. Μάκενροθ, Ι.Τζ. Χιλ και Σ. Τζ. Ρόουζ παρουσιάζουν τα σχέδια ενός επιταχυντή φωτονίων- φωτονίων ο οποίος ενδεχομένως να επιτρέψει ακριβώς αυτό. Η θεωρία που βρίσκεται πίσω από τη συγκεκριμένη ιδέα είχε περιγραφεί για πρώτη φορά πριν από 80 χρόνια, από τους αμερικανούς φυσικούς Γκρέγκορι Μπράιτ και Τζον Γουΐλερ, ωστόσο η αποκαλούμενη «παραγωγή ζεύγους Μπράιτ- Γουΐλερ» (γγ′ -> e+e−) – ο θεωρούμενος απλούστερος μηχανισμός που θα μπορούσε να έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία ύλης από φως – δεν έχει επιτευχθεί ποτέ σε εργαστήριο. Η μέθοδος που προτείνουν οι ερευνητές παρουσιάζεται ως ικανή να λύσει αυτό το πρόβλημα, μέσω της χρήσης σύγχρονων τεχνολογιών- περιλαμβανομένων λέιζερ υψηλής ισχύος.

«Παρουσιάζουμε το σχέδιο μίας νέας κατηγορίας επιταχυντή φωτονίων- φωτονίων, στην οποία μία ακτίνα γάμμα ρίχνεται μέσα στο υψηλής θερμοκρασίας πεδίο ακτινοβολίας ενός ‘κενού δωματίου’ (hohlraum) που έχει θερμανθεί με λέιζερ» αναφέρουν οι ερευνητές στη δημοσίευσή τους, σημειώνοντας ότι εξομοιώσεις έχουν δείξει ότι μία τέτοιου είδους βολή θα ήταν ικανή για «παραγωγή της τάξης των 105 ζευγών Μπράιτ- Γουΐλερ», οδηγώντας έτσι στην πρώτη δημιουργία ενός «καθαρού» επιταχυντή φωτονίων- φωτονίων και ανοίγοντας νέους ορίζοντες.

Με χρονολογική σειρά, οι θεωρίες που περιγράφουν τις αλληλεπιδράσεις του φωτός με την ύλη. Scientists discover how to turn light into matter after 80-year quest. This shows theories describing light and matter interactions. Credit: Oliver Pike, Imperial College London

Η θεωρία των Μπράιτ και Γουΐλερ λέει ότι, υπό σπάνιες συνθήκες, δύο σωματίδια φωτός (φωτόνια) θα μπορούσαν να συνδυαστούν/ συγκρουστούν για να παράξουν ένα ηλεκτρόνιο (το οποίο είναι σωματίδιο ύλης, καθώς αποτελεί τμήμα του ατόμου) και ένα ποζιτρόνιο. Ωστόσο, λόγω του τότε τεχνολογικού επιπέδου, δεν θεωρούσαν ότι υπήρχε σοβαρή περίπτωση η θεωρία τους να αποδειχθεί σύντομα.

Όπως αναφέρεται σε σχετικό δημοσίευμα του Guardian, ο Σ. Ρόουζ αναφέρει ότι «δείξαμε επί της αρχής πώς φτιάχνεις ύλη από φως. Αν κάνουμε αυτό το πείραμα, θα πάρουμε φως και θα το μετατρέψουμε σε ύλη».

Ωστόσο, σε κάθε περίπτωση, η προοπτική μίας μηχανής που θα δημιουργεί καθημερινά αντικείμενα από ακτίνες λέιζερ, στα πρότυπα των «replicators» - συσκευών σύνθεσης αντικειμένων, ακόμα και τροφίμων – που έβλεπε κανείς στο «Star Trek» - είναι ακόμα μακριά, καθώς το είδος της ύλης στο είδος προσβλέπουν οι ερευνητές είναι υποατομικά σωματίδια, αόρατα στο γυμνό μάτι.

Σύμφωνα με τον επικεφαλής της μελέτης, Ο. Πάικ, η διαδικασία είναι μία από τις πιο «κομψές» επιδείξεις του διάσημου E=mc2 (η σχέση μεταξύ ύλης και μάζας) του Άλμπερτ Άινσταϊν.   

The scientists hope to demonstrate the process in the next 12 months. There are a number of sites around the world that have the technology. One is the huge Omega laser in Rochester, New York. But another is the Orion laser at Aldermaston, the atomic weapons facility in Berkshire. Andrei Seryi, director of the John Adams Institute at Oxford University, said: "It's breathtaking to think that things we thought are not connected, can in fact be converted to each other: matter and energy, particles and light. Would we be able in the future to convert energy into time and vice versa?"

Σύμφωνα με τον Guardian, οι ερευνητές ελπίζουν να είναι σε θέση να προβούν σε επίδειξη της διαδικασίας μέσα στους επόμενους 12 μήνες.