Hmota ze světla? Zní to jako rozverná fantazie z odvázané alchymistické zkazky. Jenže nejsme na pitce v rudolfínské Praze a nejde o silně podroušené alchymisty. Ve skutečnosti jde o velezajímavý problém částicové fyziky, který po desetiletích bezradného mudrování najednou spěje k optimistickému konci. Fyzika je dneska podle všeho odvázanější, než kdy byli alchymisté a teď tu máme poměrně realistický recept, jak doopravdy vyrobit hmotu ze záření. Císař Rudolf II. by byl dozajista u vytržení.
Na fyzikálních večírcích se vypráví, že teorii o vyrobení hmoty ze světla navrhli v roce 1934 američtí fyzici Gregory Breit a John Wheeler. Je úplně prostinká a představuje nejjednodušší recept na výrobu hmoty ze světla, který se zatím objevil. Podle Breita s Wheelerem stačí správně srazit dva fotony, čili dvě entity záření a ze srážky by měl vzniknout elektron a pozitron, čili vlastně hmota a antihmota. Jejich výpočty byly shledány teoreticky v pořádku, ale samotní Breit a Wheeler nevěřili, že bych jejich extravagantní teorii někdy někdo experimentálně ověřil. A skutečně, zatím se to nikomu nepovedlo a odborníci se vždy domnívali, že to vyžaduje extrémně energetické částice, které nejsou k dispozici. Jenže částicová fyzika nikdy nespí.
Jednoho dne, po několika šálcích kávy, v malé kanceláři Blackettovy fyzikální laboratoře Královské univerzity v Londýně, novodobí teoretičtí fyzici vymysleli relativně jednoduchý způsob, jak hmotu ze záření podle Breita a Wheelera skutečně experimentálně vyrobit. Jestli sledujete seriál Teorie velkého třesku, tak si nejspíš představíte, jak to asi mohlo vypadat. Každopádně, Oliver Pike a jeho kolegové v časopisu Nature Photonics navrhli nový typ experimentu fyziky vysokých energií, který by využíval soudobé technologie a fungoval by jako srážeč fotonů (photon-photon collider). Napodoboval by situaci během prvních 100 sekund existence našeho vesmíru a podle všeho také poměry při monumentálních záblescích gama, které dodnes občas skrápějí širý vesmír.
Jak už to chodí, Pike a spol. původně pracovali na něčem úplně jiném. Řešili jakési problémy kolem fúzní energie a najednou zjistili, že s tím, co mají v ruce, mohou vyřešit letitou mysteriózní záhadu s výrobou hmoty ze světla. Vědce to podle všeho šokovalo, už jsou ale, zdá se, z nejhoršího venku. Teď prý jako teoretici hledají někoho, kdo jim navržený experiment postaví, zprovozní a srazí na něm fotony. Jejich srážeč fotonů by měl přitom zahrnovat dvě zásadní procedury. Jednak by měl mít extrémně výkonný laser, jehož zášlehy urychlí elektrony téměř na rychlost světla. Rozběsněné elektrony pak vystřelí do zlaté destičky, čímž vytvoří svazek fotonů, miliardkrát energetičtějších, než viditelné světlo.
Druhá fáze využívá drobnou nádobku ze zlata zvanou hohlraum, známou z výzkumu fúzní energie. Obsluha experimentu vstřelí dovnitř hohlraumu paprsek vysokoenergetického laseru a tím ho zahřeje tak šíleně, že září podobně jako hvězdy. Nakonec by experimentátoři měli navést svazek fotonů z první fáze do středu oslnivě rozzářeného hohlraumu a v tu chvíli by mělo dojít ke srážce fotonů z obou zdrojů a k zázračnému stvoření hmoty, tedy elektronů a pozitronů. Vědci by v takovém případě měli být schopni takové částice detekovat, když budou vylétat z hohlraumu ven. Teď se můžeme jen těšit, až se tohle někomu povede.
Literatura
Imperial College London News 15. 5. 2014, Nature Photonic online 18. 5. 2014.
Nejvýkonnější laser na cestě k zažehnutí minihvězdy
Autor: Dagmar Gregorová (04.02.2010)
Diskuze:
ala Blesk?
petr kefurt,2014-05-27 13:24:39
Tohle prece je zrejme ze zakladu casticove fyziky. Jde jen o energii dvou fotonu, aby mela ekvivalent energie pro moznost vzniku castice.
Neni to nic mysteriozniho, a nevim, proc autor, ktery jinak pise velmi dobre clanky, z toho dela bulvar :-(. To snad ne !
Mňa zaujala idea pána Da Gros
Anton Matejov,2014-05-21 10:32:33
V podstate spejem k podobným záverom.Niekde tie blešky, alebo matriošky majú koniec. Ukazujú to dobre časticové experimenty kde je už čoraz náročnejšie vytvoriť tu menšiu blešku, alebo to aspoň skladačku overiť nepriamo.
Naopak vnikajú nám pri rozbíjaní častíc nové častice, často bizardných vlastnosti. A tak objavujeme pre pochopenie niekedy zaujímavo definované Veľké Zoo elementárnych častíc. Podarilo sa nám to zovšeobecniť do takzvaného Štandartneho modelu. Už sa v Cernu podarilo dokázať jeho posledný stavebný kameň Higgsov boson. Takže tam sme na správnej ceste.
Lenže štandartný model sme stvorili intuitívne na základe symetrii!
Symetrie sme najskôr vytvorili pre pochopenie geometrie a rozmerov! Tie povrázky a smyčky Da Grosa tu sú!
Dokázať sa to dá aj inak.
Aj experimentmi sa dokázalo, že hmota môže vznikať aj z ničoho! Takzvane virtuálne častice ktoré rýchlo zanikajú. Lebo z časticou vnikajú aj antičastice. Iba pri čiernych dierach tieto procesy nemusia fungovať. Takzvané Hawkingovo vyparovanie.Ale čierne diery sú systémy s inými rozmermi. Rozmer ako náš čas tam neplatí.
Chcem aj vyjadriť že uznávame zákon zachovania energie ako najvyššie zákony. Ale ako môže niečo vzniknúť z ničoho? Vznik páru virtuálnych elementárnych častíc?
A zasa sme sú znova jednorozmerného (viacrozmerného) provázku, alebo smyčky.
Experiment opravdu není nesmyslný,
Vladimír Wagner,2014-05-20 14:47:43
v daném případě hohlraum původně připravena pro uskutečnění fúze, slouží k produkci intenzivního pole fotonů s vysokou energií. A takto vytvořené fotony se účastní srážky, která nezávisí na tom, jak tyto fotony vznikly (jestli za pomoci hohlraum, či něčeho jiného).
ale
Petr Ka,2014-05-20 15:59:51
U záření je mi to jedno (na to doufám je laser atp.). Ale hohlraum se značně vypařuje do prostoru záření/svazku, takže to bez hmoty ta reakce moc není. A o to tady de ... (stále dokola - když někdo tvrdí, že to jde ve vakuu, tak to udělám ve vakuu (bez hmoty a kompromisů) - podobně "jednofotonové" experimenty, které nejsou nikdy s jedním fotonem, ale vždy s více, kdy jiný slouží k triggeru...)
Problém vyznavačů fundamentální fyziky
Da Gros,2014-05-20 07:33:05
Když se dívají na atom, s lepším rozlišením, vidí uvnitř malé podstruktury: uvnitř atomů je jádro z nukleonů. Uvnitř těch vidí kvarky, uvnitř kvarků subkvarky, ty jsou z podkvarků a tak dál a dál. Jakoby bleška měla malé blešky a ty zase svoje blešičky. Ale takhle to nefunguje. V nejslibnějších teoriích jsou to ale jsou smyčky. Elementární částice jsou smyčky jednorozměrného provázku a to je pro mnohé fundamentalisty pochopit problém.
Interakce fotonů
Karel Valish,2014-05-20 07:12:17
Spor o první pozorování přeměny fotonu v pár elektron – pozitron si má snahu přisvojit řada pracovišť, jde jen o to, co kdo uznává jako důkaz zcela dostatečný a co ne. V zájmu pravdy se pak rivalita rozhoří v častování příslušníků klanů peprnými osloveními. Diskuse ve Physicworldu na toto téma také pobaví.
Spor dvou pojetí elmentárních částic
Jan Mladek,2014-05-20 06:30:52
Zdá se, že jste šlápnul Fukušimě na kyblíček. Škoda, že pan Wágner také neuvedl, co mu tehdy na jeho spor Jan Valenta. Možná by bylo dobré se podívat na ten spor přímo v časopisu Vesmír. Jen pro úplnost dodávám, že jde o článek v březnovém čísle roku 1998. Z následné diskuse už pan Wágner nevyšel bez ztráty kytičky. Ono jde totiž o definici hmoty co by částic s nenulovou klidovou energií. Jářku i klidovou hmotností. Tedy spor o to, zda jsou či nejsou hmotné. Pro laiky: jde o spor fyziků z oblasti elementárních částic. Jeden i druhý tábor si nemůže přijít na jméno. Je to přetrvávající problém v němž obě strany jsou zapikolovány na nesmiřitelných pozicích a diskuse je většinou plonková. Zkrátka jste se dostal mezi mlýnské kameny Valentu a Wagnera a tak jste to zchytal :)
Pane Mládek
Vladimír Wagner,2014-05-20 14:40:12
je dobře, že jste zmínil ty články ve Vesmíru. Možná je dobré zde uvést jednotlivé články. Článek kolegy Valenty je zde: http://casopis.vesmir.cz/clanek/zhmotnene-svetlo , moje reakce zde: http://casopis.vesmir.cz/clanek/premena-fotonu-na-castice-s-nenulovou-klidovou-hmotnosti-pozorovana-jiz-davno a reakce kolegy Valenty zde: http://casopis.vesmir.cz/clanek/zhmotnene-svetlo-(2). Kolega Valenta není částicový fyzik a opravdu nešlo o spor ohledně nějakých definic.
To, co jsem kritizoval u kolegy Valenty, bylo jeho tvrzení, že pozorovaný jev je první pozorování "přeměny elektromagnetického záření na hmotné částice" (pár elektronu a pozitronu). Připomínám, že nejen světlo, ale i záření gama je elektromagnetické záření. Tedy při produkci elektronu a pozitronu z gama fotonu v poli jádra nebo elektronu už je to pozorováno řadu desetiletí.
A stejné tvrzení kritizuji i v tomto současném článku na Oslovi. Tedy tvrzení, že by šlo o první pozorování přeměny záření na hmotu (pár elektronu a pozitronu).
A v tomto jsme se v diskuzi s kolegou Valentou shodli, že v rámci snahy o zjednodušující popularizací přestřelil a měl na mysli první zrod páru elektron pozitron s účastí světla. Což ale (alespoň podle mě) není také úplně košer, protože se rozptylu účastní foton záření gama. A podstatnou energii pro zrod částic přináší on.
K jeho reakci bych si dovolil jen ještě poznamenat, že obrácený comptonův rozptyl, ve kterém se pomocí ultrarelativistického elektronu foton viditelného světla z laseru přeměnil na foton gama už v té době nebyl novinkou, ale co bylo opravdu nové v tom experimentu z roku 1998, byla nepružná srážka fotonu gama s několika fotony viditelného světla s produkci elektronu a pozitronu.
Novinkou v experimentu, který se popisuje v nynějším článku Osla, je, že půjde o nepružnou srážku pouhých dvou fotonů gama, obou s vysokou energií, opět se zrodem páru elektron a pozitron.
Článek je napsán nesmyslným způsobem
Vladimír Wagner,2014-05-19 22:14:41
Psát, že zatím nebyla pozorována přeměna čirého záření (fotonu) na částice (pár elektron a pozitron) je totální nesmysl. Tento jev je pozorován každodenně a běžně v laboratořích, které se zabývají detekcí záření gama s energií vyšší než 2 krát 511 keV. Třeba i u nás. Tedy s energií vyšší než je dvojnásobek klidové energie elektronu. Jedná se o třetí proces interakce záření gama s hmotou. Foton gama, který se pohybuje v poli jádra nebo elektronu se přemění na pár elektron a pozitron. Tedy jde o přeměnu fotonu (čirého záření) na pár elektron a pozitronu.
To, o co se v daném případě jedná, je pozorování kreace páru elektronu a pozitronu při srážce fotonů (nepružná srážka fotonů). Ale ani toto pozorování nebude první. První takové pozorování se podařilo pomocí lineárního urychlovače elektronů SLAC ve Standfordu v roce 1998. V tomto případě byl jeden svazek velmi energetických fotonů gama produkován právě pomocí SLACu a byl srážen s extrémně intenzivním svazkem nízkoenergetických fotonů z laseru. Problém byl, že díky nízké energii muselo s jedním fotonem gama interagovat hned několik fotonů viditelného světla, aby byl v těžišti dostatek energie k produkci páru elektronu a pozitronu.
To, co se popisuje v článku, a co opravdu se zatím nepodařilo, by byla srážka pouhých dvou fotonů, každý s vysokou energií (gama fotonů), ve které vznikne pár elektron a pozitron. S podobně zcestnou interpretací tohoto experimentu, jako je zde, jsem polemizoval v časopise Vesmír už v tom roce 1998: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/foton.html
Aby k tomu mohlo dojít, musí však být extrémní intenzita svazku (hustota fotonů), která je typická pro lasery a ne pro jiné zdroje fotonů. Toho by se mělo docílit tím, že jak zdroj gama s elektronového urychlovače založeného na laseru tak zdroj vytvořený laserem v hohlramum jsou právě těmi vysoce intenzivními svazky fotonů, v jejichž svazcích by se to mělo podařit.
Právě takto intenzivní toky fotonů s energiemi gama se vyskytovaly na počátku vesmíru a možná se produkují i při gama záblescích.
Je to opravdu kouzelná věc a fikaný experiment, ale tichou poštou přes prostředníka, který nezná ani základy jaderné a částicové fyziky a jde za každou cenu po senzaci, z toho vyjde totální nesmysl, který zlikviduje podstatu problému a jeho kouzlo.
když je o nesmyslném experimentu ... :-)
Petr Ka,2014-05-20 08:14:26
Víme odkud autoři čerpají - viz např.
http://www.nature.com/srep/2013/130314/srep01453/fig_tab/srep01453_F2.html
Potřebují zaujmout (teoreticky si něco vysní a chtějí, ať to někdo experimentálně udělá).
Vždy bude diskutabilní, proč je tam potřeba hmota/hohlraum (jako atom u Bethe-Heitler, 1932), když k tomu má dojít v prázdném prostoru. Musí se kvantitativně stanovit limit interakce, který odděluje tyto varianty, jinak to nemá smysl. (Malá pravděpodobnost interakce s hmotou (která tam zase je) se nahrazuje silným zářením (velikostí/opakováním experimentu)).
Martin Kovář,2014-05-20 09:27:59
Dobrý den pane Wagnere. Tak mě napadlo, neměly by se v těch vstřícných svazcích fotonů generovat i páry neutrin a anti-neutrin? Samozřejmě chápu, že zde asi bude problém s četností něčeho takového a pak hlavně problém s detekcí, takže z experimentálního hlediska asi nebude něco takového nějak signifikantní.
Produkce neutrin
Vladimír Wagner,2014-05-20 14:52:47
Máte pravdu pane Kováři. V principu pochopitelně mohou vznikat i páry neutrin a antineutrin. Rozdíl je, že v případě produkce páru elektronu a pozitronu jde o elektromagnetickou interakci a v případě produkce párů neutrino a antineutrino o interakci slabou a tedy ve srovnání s produkcí páru elektronu a pozitronu půjde o produkci s extrémně malou pravděpodobností.
Nejen kvůli slabé interakci
Pavel A1,2014-05-21 18:15:59
Produkce neutrin bude málo pravděpodobná nejen kvůli tomu, že neutrina interagují slabě, ale i kvůli tomu, že jejich produkce není "přímá". Je to proces popsaný diagramem se smyčkou a to zase o několik řádů snižuje jeho pravděpodobnost.
Asi by to probíhalo tak, že dva fotony vyprodukují elektron a pozitron, ty si vymění W-boson a tím se změní na neutrino a antineutrino.
Svetlo a hmota
Rene Mikolas,2014-05-19 22:02:53
Viditeľné svetlo registrujeme len zrakom a jeho tepelné účinky cítime pokožkou.
Darwinov problém o komplexite oka a jeho vzniku naraz, vyriešili teda svetlocitlivé bunky povrchu tela našich predchodcov.
Vo vesmíre nad atmosférou Zeme registrujeme len svetlo dopadajúce do oka z jedného smeru.
Svetlo kolmo na náš smer pohľadu na Slnko a hviezdy neregistrujeme. Preto kozmonaut vidí okolo Slnka a hviezd tmu.
Všetky smery šíriaceho sa svetla mimo oka sú pre človeka neidentifikovateľné.
*
Ako vyzeral svet pred singularitou?, t.j. svet energie bez hmoty, priestoru a času? Bol to svet svetla alebo tmy? Bol to svet žiarenia? Čo to bol za svet, keď všetka hmota bola transformovaná na energiu, teda žiarenie? Bol to svet strún?
A toto žiarenie sa singularitou transformovalo znova do hmoty, (čo rieši tento článok) a tá zrodená hmota roztvorila priestor a čas.
Pokiaľ vedci zrážkou fotonov vytvoria hmotu a antihmotu, mali by detekovať i ich nový priestor a čas.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
