真空非空:【jin2055金沙网站】地表最强激光冲击

2019-05-28 作者:技术文章   |   浏览(120)

据英国《新科学家》杂志网站8月18日报道,俄罗斯国立核研究大学的亚历山大・费德罗夫及其同事在即将发表于最新一期《物理评论快报》上的研究论文中说,根据他们的计算,一个强大的激光器可将制造出的首个正负电子对加速到很高的速度,从而让它们发光,这道光再与激光“合力”,产生更多的电子对。而这正是量子力学在20世纪30年代的一种预言。 量子力学的不确定性原理意味着,宇宙空间并不是真的空无一物。相反,宇宙的随机波动使之变成了“一锅热腾腾的粒子汤”,电子以及其对应的反物质正电子就在其中。通常情况下,这些粒子一碰到其反物质,彼此都会瞬间湮灭于无形,我们根本来不及一睹其真容。不过,物理学家在20世纪30年代曾经预言,一个非常强大的电场可以让这些“幽灵粒子”显露形迹。由于这些粒子带有相反的电荷,电场可以将它们推往相反的方向,使它们分开而不至于同归于尽。 而能够产生强大电场的激光器就是完成这项任务的理想“人选”。1997年,美国斯坦福直线加速器中心的物理学家们利用激光成功制造出了正负电子对,不过当时一次只能产生一个正负电子对。现在,科学家通过计算表明,下一代功能更强大的激光器可以通过启动连锁反应,捕捉到数以百万计的正负电子对。 俄研究小组的计算表明,对于一台可将大约1026瓦的能量聚焦于一平方厘米范围的激光器而言,这样的连锁反应能够有效地将其激光转变成数百万个正负电子对。 该研究论文的合作者、德国马普量子光学研究所的乔治・科恩称,第一个拥有如此强大功能的激光器或许于2015年由欧洲超强激光设施项目建成,不过之后还需几年时间完成必要的升级才能达到每平方厘米聚焦1026瓦的能量。 美国普林斯顿大学的柯克・麦克唐纳表示,能够产生大量正电子的能力对于粒子加速器非常有用,比如提议新建的国际直线对撞器,其能够以极高的能量使电子和正电子一起粉碎,模拟宇宙诞生瞬间的高能量场景。 目前用于大批量制造正电子的标准方法是将一块金属片上的高能电子束点火,以产生正负电子对。有专家认为,与之相比,超强激光器利用连锁反应来制造正电子的成本过于高昂。

探寻虚粒子

用激光来完成任务

现在,有些人已经找到了其他提高激光强度的方法,并且也看到了一些特殊的现象。在2018年2月,由Stuart Mangles领导的国际团队在伦敦皇家学院(Imperial College London)用英国中央激光设备中的Gemini激光器向迎面的电子束发射了一束激光。二者的碰撞放大了能量。这就像是两辆车迎面相撞,会发生大爆炸(而一辆车撞到墙上却不会有这样的结果)。

当然我们更期望ELI能让我们发现在能量达到Schwinger极限时会发生什么。在日常条件下,我们可以用理论非常精确地预测出包含电子和正电子的实验结果。但是,只要超出Schwinger极限一点点,这个理论就行不通了。因为随着能量增加,虚粒子的运动路径会越来越难以预测,理论算法就派不上用场了。“而实际发生了什么却变成了一个没有解决的问题。”Bulanov说。

过去随QED诞生的还有一个很有吸引力的假说:如果电场足够强,那么真空就可以“被打破”,虚粒子也能被观测到。虚粒子包括虚电子和虚正电子,二者会在接触中湮灭从而无法被检测到。但如果能制造出一个强大的电场,这两部分就可以被分开,成为可以被探测到的、真正的粒子。

同时,其他可以与ELI媲美的激光装置也正在研发中,包括俄罗斯的艾瓦级超强激光研究中心(Exawatt Center for Extreme Light Studies),上海的超强激光站(Station of Extreme Light)。David Reis是加州斯坦福大学的激光物理学家,他说上海新的激光装置会建造在另一台大型激光器旁边,或许这可以让两束激光束碰撞在一起。他说,“那场面会非常震憾。”

翻译丨许楠

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但现在就存在一个问题,如果我们把虚粒子的能量计算进来,宇宙的膨胀速度应该要比实际的更快。而我们只有真正探测到虚粒子时才有可能解答这个问题。

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若要达到Schwinger极限,需要用超大数量的光子轰击虚粒子,这样才能获得所需的能量。那么这个能量值是多少呢?其相当于地球上所有发电厂提供能量的十亿倍,并且还要将其输入进一个还没有原子大的空间里。这听起来不太现实,除非我们可以缓慢积攒能量然后通过巨大光束一次性发射出去。

科学家并没有放弃对极限的追求。在Mourou的论文发表不久后,Bulanov和同事发现雪崩效应仅仅在圆偏振激光束下出现,这种情况下,电场会随着激光束的前进螺旋形旋转。他们计算出,如果改用线偏振激光束,电子和正电子就可随激光束呈Z字形运动,这种情况下它们制造出的光子会大大减少,从而避免电子雪崩的发生。Bulanov说,“实际上,我们可以达到Schwinger极限。”

电子雪崩

图源:Alex Schlegel

真空中充满虚粒子听起来比较难以理解,毕竟宇航员没有真的在虚粒子海洋里遨游,卫星的运转也没有被它们阻碍。虚粒子是不可触摸的,那我们为什么会知道它们的存在?这主要是得益于量子电动力学理论的出现,其是量子理论的分支,利用它可以预测光子、光粒子与电子是如何相互作用的。

激光不仅仅可以把虚粒子转变成实粒子,这种转变过程或许能够让我们更好地理解暗能量这个宇宙学中最大的谜题。科学界现在知道,有些东西正在让宇宙膨胀的速度变得越来越快,但是它是什么呢?有人怀疑这种现象发生的原因正是虚粒子所蕴藏的能量。

激光物理学的未来很有前景。Mourou希望可以他和Strickland的诺贝尔奖可以让科学界不断突破激光强度。Wheeler回忆起,他在最近的一次会议中听到了有关超越Schwinger极限的预言,“Mourou说,这一事件五年之内就会出现,尽管听起来让人紧张但我笑了,”他说,“接下来的几年应是非常激动人心的。”

编辑:Quanta Yuan

五年前,Bulanov发表了第一个模拟飞行镜子原理的实验研究结果。他现在负责ELI的High Field行动,这个项目正在寻找使激光强度最大化的方法。“我敢完全肯定这个想法是行得通的,”Bulanov说。同时,Wheeler和Mourou也在寻找打破Schwinger极限的方法。Mourou说,“我们会找到的。”

审校丨杨心舟 韩晶晶

根据量子理论,真空空间中充满了虚粒子。它们不仅真实存在着,同时也保证了现实世界的正常运作。除非你有非常强大的探测工具,否则你几乎无法检测到它们。“通常,人们口中所说的真空,意味着这个空间什么都没有。”来自瑞士哥德堡查尔摩斯理工大学的Mattias Marklund 表示,“但利用激光就可以告诉你真空里藏着什么。”

2005年,Mourou开始构想一个可以产生Schwinger极限能量激光的巨型激光器。于是一项超强激光器计划(Extreme Light Infrastructure Project, ELI)启动了,不出几年,就有来自13个欧洲国家的40个实验室参与其中,这项计划还得到了欧盟8.5亿欧元的财政支持。如今这个项目有三个站点,其中,位于罗马尼亚布加勒斯特附近的ELI原子核物理学实验室拥有两个拍瓦级的激光器,其在最高强度下工作时可以达到全球最强激光器的水准。目前,实验室正在逐渐提高该激光器的强度并进行测试。

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