圖源：Alex Schlegel
若在遙遠(yuǎn)縹緲的太空深處有這樣一個地方——它距離地球許多光年，同時與任何星云、恒星和單原子都相距無限遠(yuǎn)。那我們會嘗試用許多詞匯來描述它：虛無之地、真空或者宇宙的空白。但實際上，這片虛無的真空區(qū)域卻并非一片死寂，相反里面充斥著活躍的粒子活動。而現(xiàn)在科學(xué)家正嘗試用激光觀測它們。
撰文丨Jon Cartwright
翻譯丨許楠
審校丨楊心舟 韓晶晶
根據(jù)量子理論，真空空間中充滿了虛粒子。它們不僅真實存在著，同時也保證了現(xiàn)實世界的正常運作。除非你有非常強(qiáng)大的探測工具，否則你幾乎無法檢測到它們?！巴ǔ?，人們口中所說的真空，意味著這個空間什么都沒有?！眮碜匀鹗扛绲卤げ闋柲λ估砉ご髮W(xué)的Mattias Marklund 表示，“但利用激光就可以告訴你真空里藏著什么?！?/span>
探尋虛粒子
要想知道虛粒子究竟是什么樣子，研究者就需要將它們轉(zhuǎn)化成某種可探測到的事物，而實現(xiàn)這一過程就要用到激光。這正是物理學(xué)家們正在努力完成的事情，從幾個月前第一次開機(jī)到現(xiàn)在，一臺位于羅馬尼亞的探測器不僅展示出了真空的真相，還有助于人類理解暗能量。
真空中充滿虛粒子聽起來比較難以理解，畢竟宇航員沒有真的在虛粒子海洋里遨游，衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)也沒有被它們阻礙。虛粒子是不可觸摸的，那我們?yōu)槭裁磿浪鼈兊拇嬖?？這主要是得益于量子電動力學(xué)理論（QED）的出現(xiàn)，其是量子理論的分支，利用它可以預(yù)測光子、光粒子與電子是如何相互作用的。
上世紀(jì)30年代，物理學(xué)家建立了QED理論。當(dāng)時，只有把粒子間相互靠近與遠(yuǎn)離的所有方式都納入考慮，這種計算方式才有效。這其中也包括了違反物理學(xué)規(guī)律的粒子運作方式，而粒子一旦采取了這種方式進(jìn)行運動，它就成為了非真實存在的粒子了。這便引出一個歷史問題：如何解釋數(shù)學(xué)上存在，但是現(xiàn)實中并不存在的事情呢？
過去隨QED誕生的還有一個很有吸引力的假說：如果電場足夠強(qiáng)，那么真空就可以“被打破”，虛粒子也能被觀測到。虛粒子包括虛電子和虛正電子，二者會在接觸中湮滅從而無法被檢測到。但如果能制造出一個強(qiáng)大的電場，這兩部分就可以被分開，成為可以被探測到的、真正的粒子。
該情況需要的能量閾值被稱作Schwinger極限，它是以QED理論家、諾貝爾獲獎?wù)逬ulian Schwinger的名字命名的。在該極限下，真空里不再是什么都沒有，相反會檢測到許多虛粒子。“真空終于不“空”了?！苯菘死碚撐锢韺W(xué)家Sergei Bulanov說。
若要達(dá)到Schwinger極限，需要用超大數(shù)量的光子轟擊虛粒子，這樣才能獲得所需的能量。那么這個能量值是多少呢？其相當(dāng)于地球上所有發(fā)電廠提供能量的十億倍，并且還要將其輸入進(jìn)一個還沒有原子大的空間里。這聽起來不太現(xiàn)實，除非我們可以緩慢積攢能量然后通過巨大光束一次性發(fā)射出去。
用激光來完成任務(wù)
在這種需求下，激光器就可以派上用場了。激光器內(nèi)部會通過一系列連鎖反應(yīng)制造出大量相同頻率的光子，當(dāng)這些光子從窄束中發(fā)射出來時，其產(chǎn)生的能量能夠切割鋼鐵。但是早期的激光強(qiáng)度是有限的，科學(xué)家也一直在尋找一種材料，可以保證高強(qiáng)度的激光不會過度損壞激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1985年，紐約羅徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家Gérard Mourou和Donna Strickland發(fā)明了一種放大激光的技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)了一種可以先展寬激光脈沖，從而使脈沖減弱，然后再放大激光。這樣就可以避免其對激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的灼燒損傷，這樣科學(xué)家就能夠提高增能過程中獲得的能量。Mourou和Strickland在2018年因開發(fā)出高強(qiáng)度激光系統(tǒng)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
即便如此，Mourou還有個更大的目標(biāo)，“激光的能量從前是十億瓦，現(xiàn)在是太瓦級（1萬億瓦），那么拍瓦級（1000太瓦）也是能實現(xiàn)的，”他說，“所以我們就不禁會想，我們真的能打破真空嗎？”
2005年，Mourou開始構(gòu)想一個可以產(chǎn)生Schwinger極限能量激光的巨型激光器。于是一項超強(qiáng)激光器計劃（Extreme Light Infrastructure Project, ELI）啟動了，不出幾年，就有來自13個歐洲國家的40個實驗室參與其中，這項計劃還得到了歐盟8.5億歐元的財政支持。如今這個項目有三個站點，其中，位于羅馬尼亞布加勒斯特附近的ELI原子核物理學(xué)實驗室擁有兩個拍瓦級的激光器，其在最高強(qiáng)度下工作時可以達(dá)到全球最強(qiáng)激光器的水準(zhǔn)。目前，實驗室正在逐漸提高該激光器的強(qiáng)度并進(jìn)行測試。
ELI實驗室擁有部分世界最強(qiáng)激光器。圖源：LLNL
激光不僅僅可以把虛粒子轉(zhuǎn)變成實粒子，這種轉(zhuǎn)變過程或許能夠讓我們更好地理解暗能量這個宇宙學(xué)中最大的謎題?？茖W(xué)界現(xiàn)在知道，有些東西正在讓宇宙膨脹的速度變得越來越快，但是它是什么呢？有人懷疑這種現(xiàn)象發(fā)生的原因正是虛粒子所蘊(yùn)藏的能量。
在最高強(qiáng)度下，ELI的激光器會比英國“雙子星”激光器強(qiáng)1000倍。圖源：CTK / Alamy Stock Photo
但現(xiàn)在就存在一個問題，如果我們把虛粒子的能量計算進(jìn)來，宇宙的膨脹速度應(yīng)該要比實際的更快。而我們只有真正探測到虛粒子時才有可能解答這個問題。
ELI可以幫助我們理解宇航員常在夜空看到的快速和耀眼的伽馬射線暴和無線電波。這些射線有時發(fā)出的能量比太陽年產(chǎn)能的數(shù)千倍還要多。沒有人知道為什么會有這些能量爆發(fā)，我們只能推測或許是電子和正電子會激烈地交織旋轉(zhuǎn)并生成等離子體，這一過程拋出大量光子。而ELI發(fā)出的激光也可以制造電子-正電子的等離子體，這能讓我們更好地理解這些宇宙現(xiàn)象。
當(dāng)然我們更期望ELI能讓我們發(fā)現(xiàn)在能量達(dá)到Schwinger極限時會發(fā)生什么。在日常條件下，我們可以用理論非常精確地預(yù)測出包含電子和正電子的實驗結(jié)果。但是，只要超出Schwinger極限一點點，這個理論就行不通了。因為隨著能量增加，虛粒子的運動路徑會越來越難以預(yù)測，理論算法就派不上用場了?！岸鴮嶋H發(fā)生了什么卻變成了一個沒有解決的問題。”Bulanov說。
于是，科學(xué)家都熱切期待ELI的實驗項目能夠解決這個問題。但目前ELI中三臺激光器還沒有一臺設(shè)備能夠獨立達(dá)到Schwinger極限。哪怕第四臺ELI激光器強(qiáng)度比現(xiàn)在任何一臺激光器都高上十倍，與Schwinger極限的能量強(qiáng)度相比仍然弱了一萬倍。Michael Donovan是在位于奧斯汀的德州拍瓦級激光器研究中心（Texas Petawatt Laser）的主任，他說：“現(xiàn)存設(shè)備還沒有能達(dá)到Schwinger極限的?！?/span>
但是Schwinger極限的特性讓虛粒子不一定要達(dá)到閾值時才能被檢測到，也就是說在低強(qiáng)度激光的照射下，虛粒子或許就能夠開始向?qū)嵙Ｗ愚D(zhuǎn)化。
電子雪崩
在2010年，Mourou與同事就發(fā)現(xiàn)在低能量實驗激光束周圍可以觀測到具現(xiàn)化的虛粒子旋轉(zhuǎn)，這一過程中它們會釋放出光子，然后轉(zhuǎn)化成電子-正電子對，而新生成的電子對又會互相接觸從而湮滅釋放出光子。如此反復(fù)循環(huán)的過程，被稱作電子-正電子雪崩。
天體物理學(xué)家可以通過這一現(xiàn)象研究電子-正電子等離子體，但是電子雪崩會掩蓋掉虛粒子對的轉(zhuǎn)化過程，甚至?xí)馁M激光的能量，激光能量就更難達(dá)到真正的Schwinger極限。Jonathan Wheller是一名合作研究者，他說“發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象后，我們知道我們的確達(dá)不到極限。但我們又學(xué)到了一些其他的事情?！?/span>
科學(xué)家并沒有放棄對極限的追求。在Mourou的論文發(fā)表不久后，Bulanov和同事發(fā)現(xiàn)雪崩效應(yīng)僅僅在圓偏振激光束下出現(xiàn)，這種情況下，電場會隨著激光束的前進(jìn)螺旋形旋轉(zhuǎn)。他們計算出，如果改用線偏振激光束，電子和正電子就可隨激光束呈Z字形運動，這種情況下它們制造出的光子會大大減少，從而避免電子雪崩的發(fā)生。Bulanov說，“實際上，我們可以達(dá)到Schwinger極限?！?/span>
還有科學(xué)家也嘗試來達(dá)到Schwinger極限。為了克服ELI激光強(qiáng)度不夠高的缺陷，激光理論家也在嘗試各種方法加強(qiáng)激光能量。其中一個方案是讓兩束或更多束的激光束交叉，這樣交匯點的激光強(qiáng)度可以變?yōu)橹暗膬杀痘蚋?。這方法聽起來簡單，但是Wheeler和其他人確認(rèn)為這個方案的實踐細(xì)節(jié)會非常復(fù)雜。
另一個更好的方案聽起來會有點奇異：使用一面近光速飛行的鏡子。如果激光束在這面鏡子上反射，那么波長就會被壓縮使其聚集在一個更小的點上。這個點越小，光所含的能量就越強(qiáng)。Bulanov在2003年第一次提出了這個方案，不過這個方案中的鏡子并不是日常生活使用的鏡子，而且想要讓鏡子達(dá)到近光速飛行所需的能量也難以想象。但Bulanov說，這個鏡子可以用電子等離子體的光波來組成，它們也可以反射激光。
五年前，Bulanov發(fā)表了第一個模擬飛行鏡子原理的實驗研究結(jié)果。他現(xiàn)在負(fù)責(zé)ELI的High Field行動，這個項目正在尋找使激光強(qiáng)度最大化的方法?！拔腋彝耆隙ㄟ@個想法是行得通的，”Bulanov說。同時，Wheeler和Mourou也在尋找打破Schwinger極限的方法。Mourou說，“我們會找到的?！?/span>
現(xiàn)在，有些人已經(jīng)找到了其他提高激光強(qiáng)度的方法，并且也看到了一些特殊的現(xiàn)象。在2018年2月，由Stuart Mangles領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊在倫敦皇家學(xué)院（Imperial College London）用英國中央激光設(shè)備中的Gemini激光器向迎面的電子束發(fā)射了一束激光。二者的碰撞放大了能量。這就像是兩輛車迎面相撞，會發(fā)生大爆炸（而一輛車撞到墻上卻不會有這樣的結(jié)果）。
英國Gemini激光器
制造更強(qiáng)的激光
研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這一過程中電子釋放出了光子，并在過程中出現(xiàn)了電子反沖現(xiàn)象（電子獲得巨大能量，被光子散射）。要達(dá)到這種現(xiàn)象，電子需要以一種極其復(fù)雜的方式吸收大量的光子，這能夠讓其到達(dá)QED理論描述的能量界限。Mangles說，“從物理學(xué)角度看，我們已經(jīng)在通往Schwinger極限的路上了?！?/span>
同時，其他可以與ELI媲美的激光裝置也正在研發(fā)中，包括俄羅斯的艾瓦級超強(qiáng)激光研究中心（Exawatt Center for Extreme Light Studies），上海的超強(qiáng)激光站（Station of Extreme Light）。David Reis是加州斯坦福大學(xué)的激光物理學(xué)家，他說上海新的激光裝置會建造在另一臺大型激光器旁邊，或許這可以讓兩束激光束碰撞在一起。他說，“那場面會非常震憾?！?/span>
激光物理學(xué)的未來很有前景。Mourou希望可以他和Strickland的諾貝爾獎可以讓科學(xué)界不斷突破激光強(qiáng)度。Wheeler回憶起，他在最近的一次會議中聽到了有關(guān)超越Schwinger極限的預(yù)言，“Mourou說，這一事件五年之內(nèi)就會出現(xiàn)，盡管聽起來讓人緊張但我笑了，”他說，“接下來的幾年應(yīng)是非常激動人心的?！?/span>
原文鏈接：
https://www.newscientist.com/article/mg24132140-300-whats-inside-nothing-this-laser-will-rip-it-up-to-find-out/
斯蒂芬·霍金生前最后著作
《十問：霍金沉思錄》
3月14日首發(fā)
