新分析稱亞原子粒子可自加速至接近光速

新浪科技訊 北京時間26日消息，據國外媒體報導，雖然自牛頓以來，很多物理規律被認為是不變的，比如光始終沿直線傳播；沒有外力的作用，物體無法改變速度。但是新一代的物理學家卻有不同的想法：盡管基本物理規律不會變化，但運用新方法來“迷惑”這些規律后，就可以完成看上去不可能的事情。比如2007年的一項工作就表明，光可以沿曲線傳播，而且這個發現已經獲得了實際應用。

不同於彎曲光線的方法，MIT的博士后Ido Kaminer和以色列理工學院的4位物理學家組成的團隊基於理論分析發現：亞原子粒子可以被誘發從而開始自加速到接近光速，而且這個過程沒有任何外力作用。此外，他們認為生這一現象的內在規律也可以用來延長某些不穩定同位素的生命期，而這很有可能為基本粒子物理開闢一個新領域。

這一發現已經發表在了《自然》雜誌的物理學子刊上。新發現基於量子物理基本原理——狄拉克方程組的一個異常解集合。狄拉克方程從波結構(在量子力學中，波和粒子是同一物理現象的兩個方面)角度來解釋基本粒子(電子等)的相對論行為。Kaminer的團隊發現，通過操縱波結構，可以讓電子的行為變得異常和反直覺。

粒子的詭異行為

科學家可以使用定製的相位掩膜來實現對波的操控，這和製作全息圖的方法類似，區別只在於尺度要小得多。粒子一旦以這種方式被創造，就開始自加速，這種自加速和粒子受到電磁場作用后生的運動很難區分。

“電子會不斷加速，變得越來越快，”Kaminer：“這看上去不可能，因為物理定律不允許這種事情發生。”但實際上，這種自加速並不違反物理定律(動量守恆定律等)，因為當粒子加速時，它也會在相反方向的空域傳播。

“電子的波群不止在加速，也在膨脹，”Kaminer：“粒子的波群尾其實在為粒子的主要部分做補償，當粒子的主要部分向前加速時，波群尾就會向后走，因此整個動量仍然守恆。”

科學家進一步研究后發現，自加速現象和相對論有關：它可以看做另一種形式的時間膨脹和空間收縮。愛因斯坦預言物體接近光速時會生這種現象，這種現象的一個著名例子就是愛因斯坦的“雙生子佯謬”：如果有一對雙胞胎兄弟，其中的一個乘坐火箭進行高速星際飛行，而另一個則停留在地球上。當前者返回地球時，他會發現自己比他的兄弟年輕了許多。

延長生命期

亞原子粒子存在自然衰減現象，生命期極短，時間膨脹可以使得這些粒子的生命期大大延長。粒子的生命期延長后，就能被更容易的研究。Kaminer因此：“科學家也許就可以測量其它情況下無法實現的粒子物理效果。”此外，生命期延長可能引發這些粒子的不同行為，從而有可能開闢意外的物理學新領域。Kamine還：“你可以得到包括電子在內的其它粒子的不同性質。”

盡管這種現象只是基於理論計算后預測的，但Kaminer認為可以通過實驗來展示。他正和MIT物理教授Marin Solja？i？聯合設計這個實驗。實驗將用到與特製相位掩膜相匹配的電子顯微鏡，這種顯微鏡的分辨率是全息攝影使用的顯微鏡的1000倍。這也是目前為止已知的影響電子場的最精密方法。

雖然這項研究還處在起步階段，也很難預測將來會有哪些實際應用，但Kaminer認為，這種特殊的電子加速方法可能在多個領域(醫學成像等)發揮作用。

“近幾年，自加速和保形波束的研究非常活躍，不同類型的光束、等離子體束、電子束都得到了證明，很多人也研究了這些粒子在不同介質中的傳播。但Kaminer的團隊為粒子的狄拉克方程解出了保形解，而之前的大部分工作都沒有考慮這一點。”特拉維夫大學的電子工程教授Ady Arie這樣評價，他並沒有參與Kaminer的研究。

Ady Arie接著說，最有趣的結果可能是利用這些粒子來演示著名的“雙生子佯謬”，因為這項發現錶明：只有在彎曲軌道傳播的自加速粒子和與之對應的保持靜止的雙胞胎粒子之間才能發生時間膨脹。(願願)