所有的物質，都有相應的反物質夥伴，比如電子和正電子、質子和反質子、以及夸克和反夸克。當一個粒子遇到它的反粒子時，它們就會湮滅產生一種能量最高的光——伽瑪射線。

那麼構成光的粒子——光子呢？是否存在某種“反光子”的物質？

答案是肯定的，只不過它不是什麼基本的新粒子，而是跟普通的光子一樣，沒有任何區別。描述物質和反物質行為的物理理論也同樣預言了如果兩個高能光子以正確的方式對撞，那麼它們會湮滅產生一對物質和反物質粒子。

事實上，早在1934年，布賴特（Gregory Breit）和惠勒（John Archibald Wheeler）就首先預言了光子-光子湮滅。其基本的思想很簡單，如果將一個電子和一個正電子以相對較慢的速度對撞，一個最直接的結果就是產生一對能量相同的伽瑪射線。而如果將整個過程反過來，也應該同樣等效：即將適當能量的伽瑪射線對撞會產生一個電子和一個正電子，這被稱為“布賴特-惠勒過程”。

這裡說的“適當能量”很關鍵，比如可見光的能量就遠遠不足。光子沒有品質，它們是純能量，因此根據愛因斯坦的E=mc²，光必須要有足夠高的能量才能轉換成電子和正電子的品質。所以只有伽瑪射線能夠做到這一點，因為其它形式的光的能量都太低了。

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○ 描述光和物質之間相互作用的理論。對布賴特-惠勒理論的驗證是填補描述光和物質相互作用的理論的最後一塊拼圖。其它的六塊拼圖包括了狄拉克在1930年預測的電子和正電子的湮滅，以及1905年愛因斯坦的光電效應理論。| 圖片來源：Oliver Pike, Imperial College London

雖然這在理論上是可能的，但要在實驗室中實現卻無外乎難於上青天，以至於布賴特和惠勒都認為要在實驗室中觀測到粒子對產生是不可能的。

當然，現在的科學家更加樂觀一點，只不過實驗設定需要額外的大品質高能粒子。儘管如此，我們依然還沒有在實驗室中觀測到這個過程。

直到2014年，在英國帝國理工學院的物理系裡，物理學家Steve Rose和其它兩位合作者聚集在一個小房間內，幾杯咖啡下肚後，想出了一個相對簡單的方法來證明布賴特-惠勒過程，並且實驗中無需依靠增加額外的高能粒子。

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Rose 教授說：“這將是對愛因斯坦質能方程 E = mc² 的最純粹演示 ，質能方程告訴我們的是當物質轉化為能量時將產生多少能量。而我們所做的正是此事，只是恰好反過來：將光子能量轉化為品質，即 m = E / c²。”

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實驗系統中涉及到兩束高功率的鐳射，用來製造將要被對撞在一起的光子。其中一個光子的能量約為可見光光子能量的1000倍，而另一個的能量則是可見光光子能量的10億倍。

鐳射束被聚焦在靶室內的兩個獨立的目標上，在靶室內還包含了將鐳射束聚焦所需的複雜光學器件和用於偏轉帶電粒子的磁體。在對撞中產生的帶電正電子是研究人員搜尋的目標，並以此來確認實驗是否成功。

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他們在世界各地尋找最合適進行這項實驗的鐳射系統，並最終發現其實最適合的儀器就在倫敦附近。於是他們前往了位於牛津附近的STFC盧瑟福·阿普爾頓實驗室——中央鐳射研究所的雙子鐳射。除了雙子鐳射之外，他們使用的一些探測器來自歐洲核子研究中心（CERN）。

如果實驗成功，他們將會探測到正電子，從而證明84年前的預言。但與此同時，資料分析的過程必須足夠的嚴謹和縝密，以確認這些正電子確實來源於布賴特-惠勒過程，而不是其他的背景過程。

一旦實驗成功地呈現這一過程，那麼科學家重建的將是一個對宇宙最初100秒內的很重要、也能在伽馬射線爆中看到的過程——這是宇宙中最大的爆炸事件，也是物理學最大的未解奧祕之一。

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不僅如此，該實驗也將是對描述光與物質之間相互作用的理論——量子電動力學（QED）的最後檢驗。QED的其他基本預測均已通過實驗證明，而雙光子布賴特-惠勒過程卻還從未被證實過。

同時，這也將開啟一種全新的高能物理實驗的方式。讓我們拭目以待吧。

Pike, O, J. et al. 2014. ‘A photon–photon collider in a vacuum hohlraum’. Nature Photonics, 18 May 2014.

http://www.imperial.ac.uk/news/185368/experiments-underway-turn-light-into-matter/