新分析称亚原子粒子可自加速至接近光速

北京时间26日消息，据国外媒体报道，虽然自牛顿以来，很多物理规律被认为是不变的，比如光始终沿直线传播；没有外力的作用，物体无法改变速度。但是新一代的物理学家却有不同的想法：尽管基本物理规律不会变化，但运用新方法来“迷惑”这些规律后，就可以完成看上去不可能的事情。比如2007年的一项工作就表明，光可以沿曲线传播，而且这个发现已经获得了实际应用。

不同于弯曲光线的方法，MIT的博士后Ido Kaminer和以色列理工学院的4位物理学家组成的团队基于理论分析发现：亚原子粒子可以被诱发从而开始自加速到接近光速，而且这个过程没有任何外力作用。此外，他们认为产生这一现象的内在规律也可以用来延长某些不稳定同位素的生命期，而这很有可能为基本粒子物理开辟一个新领域。

这一发现已经发表在了《自然》杂志的物理学子刊上。新发现基于量子物理基本原理——狄拉克方程组的一个异常解集合。狄拉克方程从波结构(在量子力学中，波和粒子是同一物理现象的两个方面)角度来解释基本粒子(电子等)的相对论行为。Kaminer的团队发现，通过操纵波结构，可以让电子的行为变得异常和反直觉。

粒子的诡异行为

科学家可以使用定制的相位掩膜来实现对波的操控，这和制作全息图的方法类似，区别只在于尺度要小得多。粒子一旦以这种方式被创造，就开始自加速，这种自加速和粒子受到电磁场作用后产生的运动很难区分。

“电子会不断加速，变得越来越快，”Kaminer说：“这看上去不可能，因为物理定律不允许这种事情发生。”但实际上，这种自加速并不违反物理定律(动量守恒定律等)，因为当粒子加速时，它也会在相反方向的空域传播。

“电子的波群不止在加速，也在膨胀，”Kaminer说：“粒子的波群尾其实在为粒子的主要部分做补偿，当粒子的主要部分向前加速时，波群尾就会向后走，因此整个动量仍然守恒。”

科学家进一步研究后发现，自加速现象和相对论有关：它可以看做另一种形式的时间膨胀和空间收缩。爱因斯坦预言物体接近光速时会产生这种现象，这种现象的一个著名例子就是爱因斯坦的“双生子佯谬”：如果有一对双胞胎兄弟，其中的一个乘坐火箭进行高速星际飞行，而另一个则停留在地球上。当前者返回地球时，他会发现自己比他的兄弟年轻了许多。

延长生命期

亚原子粒子存在自然衰减现象，生命期极短，时间膨胀可以使得这些粒子的生命期大大延长。粒子的生命期延长后，就能被更容易的研究。Kaminer因此说：“科学家也许就可以测量其它情况下无法实现的粒子物理效果。”此外，生命期延长可能引发这些粒子的不同行为，从而有可能开辟意外的物理学新领域。Kamine还说：“你可以得到包括电子在内的其它粒子的不同性质。”

尽管这种现象只是基于理论计算后预测的，但Kaminer认为可以通过实验来展示。他正和MIT物理教授Marin Soljačić联合设计这个实验。实验将用到与特制相位掩膜相匹配的电子显微镜，这种显微镜的分辨率是全息摄影使用的显微镜的1000倍。这也是目前为止已知的影响电子场的最精密方法。

虽然这项研究还处在起步阶段，也很难预测将来会有哪些实际应用，但Kaminer认为，这种特殊的电子加速方法可能在多个领域(医学成像等)发挥作用。

“近几年，自加速和保形波束的研究非常活跃，不同类型的光束、等离子体束、电子束都得到了证明，很多人也研究了这些粒子在不同介质中的传播。但Kaminer的团队为粒子的狄拉克方程解出了保形解，而之前的绝大部分工作都没有考虑这一点。”特拉维夫大学的电子工程教授Ady Arie这样评价，他并没有参与Kaminer的研究。

Ady Arie接着说，最有趣的结果可能是利用这些粒子来演示著名的“双生子佯谬”，因为这项发现表明：只有在弯曲轨道传播的自加速粒子和与之对应的保持静止的双胞胎粒子之间才能发生时间膨胀。(愿愿)