根據(jù)量子電動力學（描述電磁場如何與物質(zhì)相互作用的一個理論），真空并非如經(jīng)典物理認為的那么空。如果我們能通過某種方式把充滿在空間中的物質(zhì)、各種輻射和引力波全都移除，仍能發(fā)現(xiàn)存在于空間的少量固有能量?，F(xiàn)在，如果向真空發(fā)射一束足夠強的激光，那么會不會像《科學》雜志刊登的一則故事中所描述的那樣：擊破真空，將空的空間撕裂呢？
在《科學》雜志近日的一篇報道中提到，中國物理學家（李儒新帶領(lǐng)的團隊）今年將要開始建造名為“超強激光站”的100PW（100拍瓦=10^17瓦）激光器。到了2023年，它將把脈沖“拋向”地底下20米深處的腔室，從而創(chuàng)造出通常在地球上無法達到的極端溫度和壓力。
那么究竟要如何才能實現(xiàn)這項宏偉的目標呢？這將有助于物理學家探索怎樣獨特的現(xiàn)象呢？真空真的能夠被撕裂嗎？
要回答這些問題，我們從激光這一概念開始探討。
○ 位于上海的激光器，創(chuàng)下了最大功率紀錄。最大強的激光并非上市那些能量最強的，而通常是具有最短激光脈沖的。| 圖片來源：KAN ZHANG
盡管激光現(xiàn)在非常普遍，但這一概念本身來說仍是相對新穎的。激光的英文Laser是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”（受激輻射光放大）的首字母縮寫。但其實 Laser 這一名稱并不準確，因為這個過程中并沒有什么東西被放大了。我們知道在普通物質(zhì)中，具有一個原子核和位于各種不同能級的電子；在分子、晶體和其他束縛結(jié)構(gòu)中，電子能級之間的特定差決定了哪些躍遷是被允許的。在激光器中，電子在兩個允許的狀態(tài)間振蕩，當它們從較高能態(tài)躍遷到較低能態(tài)時，就會釋放出一個具有特定能量的光子。正是這些振蕩產(chǎn)生了光，因此，將它稱之為“Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation”（受激輻射光振蕩）似乎會更為貼切。
○ 將電子“泵”入激發(fā)態(tài)，并利用特定波長的光子激發(fā)它們，就會導致釋放出另一個具有完全相同能量和波長的光子。| 圖片來源：Wikimedia Commons
如果能在相同的激發(fā)態(tài)（excited state）產(chǎn)生多個原子或分子，并能激發(fā)它們自發(fā)躍遷到基態(tài)（ground state），它們將釋放出具有相同能量的光子。這些轉(zhuǎn)換是極快的（但并非無限快），因此理論上我們會有一個能使單一原子或分子躍遷到激發(fā)態(tài)并自發(fā)地發(fā)射光子的速率上限。通常情況下，我們會在諧振或反射腔內(nèi)使用某種氣體、分子化合物或晶體來制造激光，但也可以使用自由電子、半導體、光纖，甚至正電子發(fā)射體（理論上）來制造激光。
○ ALICE自由電子激光器，不依賴于傳統(tǒng)的原子或分子的轉(zhuǎn)換，但依然可以產(chǎn)生相干光。| 圖片來源：2014 Science and Technology Facilities Counci
從激光器釋放出的能量總量受輸入量的限制，因此要讓激光器獲得超高功率的唯一方法是縮短發(fā)射激光脈沖的時間尺度。剛才提到的“PW”并不是指能量，而是指功率——即單位時間內(nèi)的能量。一個PW激光可以是每秒發(fā)射10^15焦耳能量（相當于約200千噸TNT釋放的能量）的激光器，或者是在飛秒內(nèi)（10^-15秒）能釋放一焦耳能量（相當于60微克糖燃燒釋放的能量）的激光器。就能量而言，這兩種情況是截然不同的，但是它們的功率卻一樣。
目前，100PW激光還沒能被建成，這是研究人員計劃在2020年代取得的下一個巨大飛躍。這一項目被稱為超強激光站（Station of Extreme Light），將在上海超強超短激光實驗裝置建造。通常來自不同波長光的外部加泵會激發(fā)激光材料原子內(nèi)的電子，導致能制造出激光的特征轉(zhuǎn)換產(chǎn)生。然后光子會在一個非常窄的一組波長中以緊密堆積的流或脈沖出現(xiàn)。令很多人吃驚的是，1PW的門檻在1996年就被突破了。但從1PW到10PW的超越，卻耗費了將近20年的時間。（在研制100PW激光器的道路上，中國并非唯一，歐洲、日本、俄羅斯都有相關(guān)的計劃。）
如果我們想要在功率上有所突破，就需要在最短的時間內(nèi)提供最大的能量。目前的記錄保持者使用的是摻鈦藍寶石晶體，有著數(shù)百焦耳的能量被泵入其中，將光來回反射直到相消干涉抵消大部分脈沖長度，輸出被壓縮成一個只有幾十飛秒長的單脈沖中。從而達到10PW的輸出功率。
功率的下一個數(shù)量級大關(guān)的突破，可以通過兩種方法實現(xiàn)：要么增加激光器里的輸入能量——從幾百焦耳增加到幾千焦耳，要么縮短脈沖的持續(xù)時間。增強激光器能量的方法對目前所使用的激光材料來說會造成問題。小型的鈦藍寶石晶體無法承載如此巨大的能量，而大的鈦藍寶石晶體又容易導致光向與所需路徑成直角的錯誤方向發(fā)射。因此，目前研究人員正在考慮的方法主要有三種：
在原來的10PW脈沖基礎(chǔ)上，通過一個光柵將光擴展出來，然后用人造水晶將它們結(jié)合，在結(jié)合處再次加泵，提高它的功率。
將來自一系列不同的高功率激光器的多個脈沖結(jié)合，以創(chuàng)造正確的重疊水平：這對于只有幾十飛秒長（3-15微米），并以光速移動的脈沖來說是一個挑戰(zhàn)。
或者，增加第二輪脈沖壓縮，將它們壓縮到幾飛秒之內(nèi)。
○ 偏折光線并將它集中在一個點上是實現(xiàn)在空間中的單一位置的強度最大化的關(guān)鍵一步。| 圖片來源：M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819–1824
之后，脈沖必須被集中在一個緊密的焦點之上，這樣不僅提高功率，而且也提高了強度。如果100PW的脈沖可以被聚焦到一個直徑只有3微米的斑點上，那么這個微小區(qū)域的強度將達到驚人的10^24W/cm2（瓦/平方厘米）——比太陽光直射地球的強度高出約25個數(shù)量級。
○ 量子真空中的虛粒子。即使是在空的空間中，真空能量也不為零。| 圖片來源：Derek Leinweber
這為科學家長期以來想要在真空中制造粒子-反粒子對的愿望開啟了一扇門，但這并非“擊破量子真空”。
根據(jù)量子電動力學，空間的零點能（指處于最低能量狀態(tài)的空間）并不為零，而是一個有限的正值。盡管我們同時把它視作為粒子和反粒子不斷地出現(xiàn)和消失，但更好的描述是——在具有足夠能量的情況下，我們能利用這些空的空間的電磁屬性來產(chǎn)生真實的粒子-反粒子對。這是基于愛因斯坦的質(zhì)能方程 E = mc2 做到的，但還需要足夠強的電場才能夠產(chǎn)生這些粒子，約10^16 V/m（伏特/米）。光作為一種電磁波，同時具有電場和磁場，當激光強度為10^29 W/cm2時將達到該臨界閾值。
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○ 當強度達到10^29W/cm2的時候，就應(yīng)該足以在量子真空中制造電子-正電子對。| 圖片來源：Wikimedia Commons
