Έπειτα από αναζήτηση 80 χρόνων, μέθοδος για τη μετατροπή του φωτός σε ύλη

Η μάζα είναι ισοδύναμη της ενέργειας, προέβλεψε ο Αϊνστάιν. Βάσει αυτής της θεωρίας, οι θεωρητικοί φυσικοί πρότειναν αργότερα την ιδέα της μετατροπής του φωτός σε ύλη. Ογδόντα χρόνια μετά, ερευνητές στη Βρετανία και τη Γερμανία ισχυρίζονται ότι επινόησαν μια πειραματική διάταξη που θα αποδείξει για πρώτη φορά τη θεωρία.

H ιδέα της ισοδυναμίας μάζας και ενέργειας, δηλαδή η ιδέα ότι η μάζα ενός αντικειμένου αποτελεί μέτρο του περιεχομένου του σε ενέργεια, συμπυκνώνεται στη διάσημη εξίσωση E=mc2, η οποία διατυπώθηκε το 1905 από τον Άλμπερτ Άινσταιν στο πλαίσιο της Γενικής Σχετικότητας.

Λίγα χρόνια αργότερα, το 1934, οι φυσικοί Γκρέγκορι Μπρέιτ και Τζον Ουίλερ περιέγραψαν μια θεωρητική διαδικασία για τη μετατροπή του φωτός -μιας μορφής ενέργειας- σε ύλη, μια διαδικασία που θα αποτελούσε ορατή έκφραση της ισοδυναμίας του Άινσταιν.

Οι υπολογισμοί των Μπρέτ και Ουίλερ έδειχναν ότι ο απλούστερος τρόπος για τη μετατροπή του φωτός σε ύλη είναι οι συγκρούσεις ανάμεσα σε φωτόνια υψηλής ενέργειας, από τις οποίες θα προέκυπταν ζευγάρια ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων (αντι-ηλεκτρονίων). Τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, ενώ τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια έχουν και επομένως θεωρούνται υλικά σωματίδια.

«Παρά το γεγονός ότι όλοι οι φυσικοί αποδέχονται τη θεωρία ως ορθή, οι ίδιοι οι Μπρέιτ και Ουίλερ δήλωναν ότι δεν περίμεναν ποτέ να τη δουν να αποδεικνύεται στο εργαστήριο. Σήμερα, σχεδόν 80 χρόνια μετά, αποδεικνύουμε ότι έκαναν λάθος» υπερηφανεύεται ο καθηγητής Στιβ Ρόουζ του Imperial  College στο Λονδίνο.

Σε συνεργασία με ερευνητές του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Γερμανία, η ομάδα του Ρόουζ περιγράφει τη νέα ιδέα στην επιθεώρηση Nature Photonics.

Η πειραματική διάταξη που φαντάστηκαν συνίσταται από δύο βασικά τμήματα, καθένα από τα οποία παράγει μια δέσμη φωτονίων με εξαιρετικά μικρό μήκος κύματος, μήκος κύματος που αντιστοιχεί στο φάσμα των ακτίνων γάμμα.

Στο πρώτο τμήμα της διάταξης, μια πολύ ισχυρή δέσμη λέιζερ επιταχύνει ηλεκτρόνια σχεδόν μέχρι την ταχύτητα του φωτός και τα αναγκάζει να συγκρουστούν με μια πλάκα από χρυσό, οπότε δημιουργείται η πρώτη δέσμη φωτονίων.

Στο δεύτερο τμήμα της διάταξης, η δέσμη φωτονίων παράγεται από μια δέσμη λέιζερ που βομβαρδίζει μια μικρή συσκευή από χρυσό που χρησιμοποιείται σε πειράματα πυρηνικής σύντηξης και ονομάζεται holhraum («άδειο δωμάτιο» στα γερμανικά).

Η δέσμη φωτονίων που παράγεται από το βομβαρδισμό του holhraum αναγκάζεται να συγκρουστεί με την πρώτη δέσμη φωτονίων, οπότε παράγονται ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων τα οποία μπορούν να ανιχνευθούν με σχετική ευκολία.

Οι ερευνητές διαβεβαιώνουν ότι το πείραμα είναι «σχετικά εύκολο» να πραγματοποιηθεί με τις σημερινές τεχνολογίες. Και αυτό σημαίνει ότι τα επόμενα χρόνια ο Άινσταϊν και οι Μπρετ-Ουίλερ θα ήταν δυνατόν να δικαιωθούν οριστικά.

Όπως μάλιστα υποστηρίζουν οι ερευνητές, η απόδειξη της θεωρίας Μπρετ-Ουίλερ θα έβαζε το τελευταίο κομμάτι σε ένα παζλ φυσικής που περιγράφει τους τρόπους με τους οποίους το φως αλληλεπιδρά με την ύλη.

Τα άλλα κομμάτια του παζλ, όπως η θεωρία του Άισταϊν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η θεωρία του Πολ Ντιράκ για την αμοιβαία εξουδετέρωση των ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, προέκυψαν από έρευνες που τελικά βραβεύτηκαν με Νόμπελ.

Επιμέλεια: Βαγγέλης Πρατικάκης