【科普文分享】逾 80 年來首確認光子高速碰撞 可產生物質與反物質／小肥波
／／上月尾刊於 Physical Review Letters 的研究指，美國 Brookhaven 國家實驗室成功用相對論性重離子對撞機 (RHIC) 直接觀察到 Breit-Wheeler 過程，即光子可通過強力撞擊結合，變成物質與反物質。
Breit-Wheeler 過程在 1934 年由物理學家 Gregory Breit 和 John A. Wheeler 首次提出，理論指兩個光子可通過強力撞擊結合，有可能變成物質與反物質，形成電子和正電子。這種把光變成物質的過程是愛因斯坦狹論相對論中質能方程式 E=mc² 的直接反映，表明能量和質量是可以互相轉化。長期以來，學界都期望通過超強功率的激光碰撞來觀測過程，然而兩個光子發生碰撞的概率非常低，其所需的最低激光功率仍然比目前功率最高的激光系統要高幾個數量級。
有参與研究的 Brookhaven 國家實驗室物理部教授許長補指，當年 Breit 和 Wheeler 提出理論時，激光還未被發明，他們提出替代方案，通過加速重離子到相對論能區並碰撞來實現光生物質， RHIC 正是為此而設。
RHIC 啟動後會加速離子，電子會從元素的原子核剝離。由於電子帶負電荷而原子核內的質子帶正電荷，將電子剝離會使原子核帶正電荷。元素越重，擁有的質子越多，生成的離子正電荷就越強。
團隊使用了包含 79 個質子和強大電荷的金離子做測試。當金離子被加速到非常高的速度時，會產生一個圓形磁場，強度可以與對撞機中的垂直電場一樣強大，兩者相交的地方，出現相等磁場可產生電磁粒子或光子。許解釋，當離子以接近光速的速度運動時，金原子核周圍會有一堆光子，像雲一樣隨其移動。
在 RHIC 中，金離子會被加速到光速的 99.995% ，即使兩個離子彼此錯過時，產生的光子雲仍可互動碰撞；雖然無法檢測到碰撞本身，但產生的正負電子對可以顯示碰撞曾經出現。然而，僅僅檢測正負電子對並不足夠。因為電磁互動作用產生的光子是虛擬光子，會短暫地出現和消失，並且沒有與「真實」對應物相同的質量。
為了完全確認 Breit-Wheeler 過程出現，團隊分析了 6,000 多對正負電子的角度，比較每一電子對的質量和角分布是否與理論所上的光子碰撞一致。另一参與研究的物理學家 Daniel Brandenburg 補充，團隊也測量了系統的所有能量、質量分佈和量子數，確定如 Breit 和 Wheeler 最初預測一樣，光子碰撞可直接產生物質與反物質。
來源：
Science Alert, Physicists Detect Strongest Evidence Yet of Matter Generated by Collisions of Light, 10 August 2021
報告：
Adam, J. Adamczyk, L., Adams, J.R. & et al. (2021). Measurement of e+e− Momentum and Angular Distributions from Linearly Polarized Photon Collisions. Phys. Rev. Lett. 127, 052302 – Published 27 July 2021. doi: 10.1103/PhysRevLett.127.052302
文／Alan Chiu／／
光速測量 在 Re: [請益] 光速的測量? - 看板Physics - 批踢踢實業坊 的推薦與評價
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From
https://163.20.91.130/sct/content/1993/00110287/0010.htm
摘錄
基本物理常數的測定
【摘要】基本物理常數在科技中極為重要，它們是怎樣測定的？最新的成果是怎樣得到的
？
隨著科學與技術的進步，學術的交流日益頻繁，國際合作廣泛推展，大量資訊在科技領域
中傳播，這就要求人們對測量數據有共識，以建立公認的基準，否則就會產生誤解，引起
麻煩。
為了做到對測量數據的共識，除了有必要確定國際公認的單位和單位制外，還有一些重要
的物理常數，必須是科學界普遍接受的。
物理常數大致可以分為兩類。一類與物性有關，例如：沸點、比熱、導熱係數、電阻、電
阻溫度係數、折射率等。這些常數表徵物質的固有特性，可統稱為「物質常數」。另一類
常數與具體的物質特性無關，是普適的，例如真空中的光速、基本電荷量、蒲朗克常數、
精細結構常數等，稱為「基本物理常數」。這些常數出現在物理學的各分支裡，通過物理
學一系列定律和理論彼此相互聯繫，構成了物理學架構中不可缺少的關鍵點。
基本物理常數大多與原子物理學和粒子物理學有關，其數不下四、五十個。隨著物理學的
高度發展，基本物理常數涉及的範圍愈來愈廣，數目愈來愈多，測量方法日新月異，結果
也愈來愈精確。一個基本常數往往可用幾種不同的方法測定或經不同的途徑得出，於是還
要互相比較，把最佳的結果推薦給科技界而成為科技人員普遍利用的數據資料。
基本物理常數的測定和評定是一項很複雜的工作，下面僅介紹基本物理常數的評定工作，
並列舉幾項重要的基本物理常數及其歷史和發展概況。
基本物理常數的評定
既然基本物理常數可以用不同途徑得出，或可經各種定律和理論相互聯繫，就會發生是否
協調的問題。如果不協調，必然引起嚴重後果。因此早在本世紀之初，科學家就致力於總
結出一套協調的基本物理常數。
1926年瓦希本（E. W. Washburn）主編的《國際評定表》（International Critical
Tables）第一卷問世，書中收集大量物理常數和化學常數，把一套經過認真審核的基本常
數列成一表，深受科技界歡迎。
1929年柏芝（R. T. Birge）發表了著名論文：〈普通物理常數的可適值〉，對基本物理
常數做分析評定，對比不同來源的數據，加以校正，用最小平方法（註一）逐項處理基本
物理常數，求其最可適值。該文發表後，反應強烈。
在1937年～1955年間，陸續有一些綜合性論文，採用柏芝的方法評定基本物理常數。1941
和1945年柏芝也發表自己這方面的工作。他們大多以個人的名義進行評定工作，大量分散
，內容重複，沒有統一標準。
1955年柯恩（E. R. Cohen）等人、1963年泰勒（B. N. Taylor）等人做系統的調查研究
，先後發表了兩組用最小平方法平差（註二）得到的基本物理常數。
然而，更進一步有待於國際組織加強協調各國科學家的工作，才能有更大成效。1966年，
在國際科協理事會（ICSU）領導下，成立科學技術數據委員會（CODATA）。這委員會的宗
旨是在以世界為範圍的基礎上，促進鼓勵協調科技數據搜集分析和編撰。CODATA下屬一個
基本常數工作組，負責定期發表為全世界科技界可接收協調的基本物理常數。如此，基本
物理常數的評定工作，就從學者個人的研究課題，變成了國際組織中有權威的公認代表的
集體任務；同時，各國研究精密量計和基本常數的機構和專家，也接受這一國際組織的指
導。既有分工，又行交流，基本常數的測量和評定工作，始邁入另一階段。表一顯示歷年
來較有影響的幾次基本常數評定工作。
跟1973年平差相比，1986年有如下新進展：
一、光速已定出精確值；
二、由於雷射光譜學的發展，雷德堡（Rydberg）常數更精確；
三、由於量子霍爾效應的發現，精細結構常數測得更準；
四、由於創造了Ｘ光光學干涉術，亞佛加厥常數突破ppm大關；
五、由於創造了單電子彭寧陷阱方法，電子g因子測量精確度大為提高；
六、大多數基本常數的不確定度都降低了一個數量級，達1ppm以下。
幾項重要的基本物理常數
真空中的光速
這是最古老的物理常數之一。早在1676年，羅默（Roemer）從木星衛星的觀測得光速有限
的結論，觀測證實了他的預言。據此，惠更斯推算光速約為2×108米／秒。1728年布萊德
雷（Bradley）根據恆星光行差求得c=3.1×108米／秒。
1849年，斐佐（Fizeau）用旋轉齒輪法求得c=3.153×108米／秒。他是第一位用實驗方法
測定地面光速的人。光從半鍍銀面反射後經高速旋轉齒輪投向反射鏡，再沿原路返回。如
果齒輪轉過一齒所需的時間正好與光往返的時間相等，就可透過半鍍銀面觀測到光，從而
根據齒輪的轉速計算出光速。
1862年，福柯（J. L. Foucault）用旋轉鏡法測空氣中的光速，原理和斐佐的旋轉齒輪法
大同小異。他的結果是c=2.98×108米／秒（參閱本刊24卷5期339～345頁）。
第三位在地面上測到光速的是柯努（M. A. Cornu）。1874年他改進斐佐的旋轉齒輪法，
得c＝2.9999×108米／秒。
麥克森（A. A. Michelson）改進了福柯的旋轉鏡法，多次測量光速。1879年，得
c=(2.99910±0.00050)×108米／秒。1882年得c=(2.99853±0.00060)×108米／秒。後來
他綜合旋轉鏡法和旋轉齒輪法的特點，發展旋轉稜鏡法，1924～27年間，得c=(2.99796±
0.00004)×108米／秒。
麥克森在推算真空中的光速時應該用空氣的群速折射率，可是他用的卻是空氣的相速折射
率。這一錯誤在1929年為柏芝發覺，經改正後，1926年的結果應為c=(2.99798±0.00004)
×108米／秒＝299798±4公里／秒。
後來，由於電子學的發展，用克爾盒、諧振腔、光電測距儀等方法，光速的測定比直接用
光學方法又提高了一個數量級。1960年代雷射發明，運用穩頻雷射可以大大降低光速測量
的不確定度。1973年達0.004ppm，終於在1983年第十七屆國際計量大會上決定，將真空中
的光速定為精確值。表二係歷年來真空中光速的測量結果。
※ 引述《RogerFedEX (瑞士特快車)》之銘言：
: 現在物理學界是如何測量光速的呢?
: 精確值已經到多少了阿?
: 謝謝
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Federer的反拍穿越球
就像瑞士的鐘錶一樣
精準無比!!
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◆ From: 140.113.122.112
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