正负电子对撞后会湮灭，那光子对撞后会发生什么？
路平2019-12-18 15:11
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我们日常生活中，基本不可能接触到反物质粒子。但是很多人在中学的物理课本里，都会学到正电子和电子对撞会发生湮灭，产生能量，释放出来。这个过程中，这对正负电子的静止质量都等价于能量，以能量的形式释放出来了。
那么问题来了，如果是一对光子对撞那结果会是什么样子的呢？
光子的碰撞
我们都知道，电子的反粒子是正电子。实际上，光子也有反粒子，就是它本身。所以，理论上光子也是可以相互湮灭的。只不过，这里比较复杂的是，光子是不是会发生相互湮灭和光子自身的能量有关，如果是低能的光子，那发生湮灭的概率非常非常低，而高能的光子发生碰撞就可以湮灭，产生其他粒子。可能这么说，你还是不太能够明白。所以，我们来举两个例子。
宇宙大爆炸
按照我们如今的理论，我们知道宇宙起源于一次大爆炸。
在这次大爆炸之后，宇宙开始剧烈的膨胀，同时从非常高的温度开始逐渐下降。早期的宇宙主要就是所谓的“纯能量”状态，其中充满了各种高能的光子。要知道，我们现在所在的宇宙充满了各种“粒子”，比如：原子、电子、质子、中子，这些早期其实都没有。那它们到底是咋来的呢？
实际上，它们大部分是是“碰撞”出来的。我们以电子为例，我们都知道电子所定义的质量，通过质能方程E=mc^2，我们可以计算出这个质量所对应的“静止能量”。
如果一对光子的能量要大于电子所对应的静止能量，它们碰撞湮灭后，就会产生一对正负电子，多余的能量会转化电子动能。
那什么环境下的光子才具有这样的“静止能量”呢？答案是温度到60亿度左右，这个温度也被称为阈值温度。也就是说，如果环境温度达到了60亿度以上，在这个温度下的高能光子膨胀湮灭，就有可能产生一对正负电子。（不过，这些正反粒子其实并没有都留下来，事实上，大多数又加入到了“湮灭”大军中，每10亿对的正负电子湮灭，最终会留下一个电子，至于是什么原因，目前科学家还无法给出令人信服的理论解释。）
不仅仅是电子，μ介子，π介子，质子和中子等粒子都是这么碰撞出来的。唯一不同的其实是它们所对应的阈值温度不同。（当然，它们后来也发生了每10亿对相互湮灭，留下一个正物质粒子的情况。）
而宇宙早期一开始要远远高于这些温度，因此，宇宙早期其实就在不停地创造这些粒子。因此，光子的碰撞其实在宇宙早期就已经发生过了，我们现在见不到，很大原因就是没有高能的光子。
光子碰撞实验
除了宇宙大爆炸之后，光子的碰撞也是科学界未来的趋势，各国都在研究这方面的技术以及实验。比较常见的正负电子对撞机实际上是可以改造成光子对撞机的。
正负电子对撞机可以把电子加速到特别高的能量，然后冲着这个电子发射一束激光，让它们迎面对撞，这就可以得到能量很高的光子数。如果让两束类似的光能光子束进行膨胀，那就有可能产生电子、介子、各种玻色子，比如：希格斯玻色子，W玻色子，Z玻色子。
不过，目前还在理论应用到实际的阶段，这当中还有很多技术环节是需要完善的。之前闹得沸沸扬扬的上帝粒子“希格斯玻色子”，实际上，如果通过光子碰撞来研究相关性质会更加方便一点。因此，利用光子碰撞来进行研究是未来的一个趋势，一些拥有加速器的国家或者组织就在思考如何对现有的加速器进行改变，使其能够实现高能光子的对撞实验。相信在不久的未来，很有可能科学家可以在实验室里就能制造出电子等粒子。
最后，我们来总结一下，正反物质粒子发生湮灭会产生能量，而高能光子的碰撞会产生粒子。这在宇宙早期就已经发生过，而人类也在试图将加速器改造了光子对撞机。
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