导语：一生二，二生三，三生万物。从无到有，空手套白狼，这样的机器我们真有可能发明出来。不信？请看下文。
关键词：真空；激光；能量；物质
可以制造任何东西的机器（图片来源：Shutterstock）
谁没曾梦想过拥有一台只要按下按钮就能凭空制造出任何我们想要的物品的机器？但这样的机器或许只存在于科幻迷的脑海里和电影工业中。最为人熟知的例子就是星际迷航中的角色们经常使用的能够制造各种物品的“复制机”，它甚至可以帮助他们在最不可能的故事情节中逃跑。
然而，科学家们似乎已经发现了制造这种梦幻机器的方法。这个方法需要利用著名的E=mc2方程，也就是人们熟知的爱因斯坦的能量物质等效原理。该方程告诉我们，质量（物质主体的主要构成）仅仅只是能量的另一种形式。这就意味着有可能可以拿出一部分质量并直接将其转化成纯能量。
无数实验证实了这个现象。例如，质量提供了保持原子核稳定的能量。如果你对原子核“称重”，你会发现它比其各组分的总和稍微轻一些。丢失的那部分质量转化成了能量，以维持原子核的稳定。仅这些就已经足以让人欣喜，但方程中的等号告诉了我们一些更令人兴奋地信息。那就是理论上，我们可以获得纯能量并将其转化为质量（物质）。
真空——并不“空”
这怎么可能？要理解这一想法，我们需要改变我们对于纯真空的认识。传统的观念认为，真空无非是完全空白（而又相当沉闷）的空间领域。而量子力学却告诉我们，真空的空间其实是一个非常繁忙的领域，在这个空间里超微小颗粒可以短暂存在，而其存在周期极短（短于10-21秒或十万亿分之一秒）。
些颗粒与来自反物质的相应反粒子碰撞后会迅速湮灭。这些粒子和反粒子，通常一起被称为“虚粒子”，因为它们存在的周期时间如此之短，这都是海森堡的测不准定理的直接结果。（译注：测不准定理陈述了精确确定一个粒子，例如原子周围的电子的位置和动量是有限制。这个不确定性来自两个因素，首先测量某东西的行为将会不可避免地扰乱那个事物，从而改变它的状态；其次，因为量子世界不是具体的，但基于概率，精确确定一个粒子状态存在更深刻更根本的限制。）
现在，假设发送一束由纯电磁能量构成的超强激光束到真空中。如果这束激光足够剧烈，它就可以使这些虚粒子远离其反粒子，这样他们将不会再次发生碰撞，也不会湮灭。也就是说，将能量送进一个空白区域，最终却收获了具有质量的粒子。
来自虚空（图片来源：Shutterstock）
这个方法只有一个缺点：就是在它们相互湮灭之前，你需要发送足够多的能量来分离粒子—反粒子对（还记得短暂的10-21S吗？）。这似乎是一个艰巨的任务，但近期激光技术的迅猛发展正使我们有机会这么做。
如今激光器能够产生持续时间极为短暂的光脉冲串，其周期与电子在原子核旋转一周所花费的时间相近。它们也可以集中在一个小于人类头发丝宽度的空间区域内。从另一个角度来看，这些激光脉冲串是整个英国电网强度的千万倍（虽然电网需要的能量相对更量），同时激烈强度是地球表面的太阳辐射的数十亿倍。
提升能量
但是，科学家们是出了名的永不满足，他们还将把极限向前推进。正在建设的一个主要的欧洲项目极端光线基础设施（ELI）就是产生有史以来最强大的激光（译注：“极端光基础设施(ELI)”光束项目主要由欧盟赞助，有包括来自美国的利弗莫尔劳伦斯国家实验所在内的多国专家参与。）。这个史无前例的项目，将在未来几年内，创造一个能提供10 PW（10,000,000,000,000,000瓦）功率光束的激光系统。这比现有的国家最先进的激光设施的10倍还要强大。
理论计算表明，这种激光能在纯真空中“生产”部分粒子，并提供了第一个足以证明能量可以直接转化为有形的物质的实验证据。
虽然要实现在真空中造物我们仍有很长一段路要走，但我们已经迈出了第一步。一旦踏上正轨，复制机成为每家每户必不可少的设备只是时间问题。那么剩下的唯一问题将是如何处理那些在生产物品中不可避免的伴生反物质？
作者简介：Gianluca Sarri，贝尔法斯特女王大学（Queen's University Belfast）数学和物理学院的讲师。
（翻译：曾梓浩 审校： 海带丝）
原文链接：
https://theconversation.com/weve-just-started-work-on-the-technology-to-power-a-star-trek-style-replicator-43373
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