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产生反物质的激光有多强?
时间 : 2016-03-12     
  近日,“中科院上海光机所利用超强超短激光成功产生反物质”这则新闻广为传播。这是国内首次报道利用激光产生反物质。不过,很多网友在被“反物质”一词吸引的同时,却忽略了背后另一个更重大且更有意义的成就——中国在“超强超短激光”上的一些突破。
什么是超强超短激光?
  不少人第一眼看到“超强超短”会对其发生误解。超强很好理解,而超短,不少人容易把其理解为“距离上的长短”,但实际上,这里的“短”是时间上的长短。
  大功率激光是各国梦寐以求的,因为,它能干的事实在是太多,比如军事爱好者们所熟知的激光武器,还有制造人工可控核聚变所需条件等等。


图1 激光武器击中火箭并爆炸的瞬间

图2 耗资数十亿美元的美国“国家点火装置”中使用的燃料球,他们使用192门激光在十亿分之一秒的时间内同时发射并击中铅笔头大小的燃料球,从而引发核聚变。

  然而,大功率激光并非那么容易产生,并不是说给一个激光设备提供的能量越大,激光的功率就会越大。显然,单纯地提供大能量以进一步提高激光的功率现在已经变得很难,造价也越发昂贵。
  怎么办?
  我们知道:功率=功/时间=w/t
  既然在“功”上突破已经很昂贵且很难,那么,我们就从“时间”上来突破。
  显而易见,相同的功,做功时间越短,功率就会越大。当时间趋于无穷小时,功率就会趋于无穷大。
  1瓦特(功率)=1焦耳/1秒。
  对于1焦耳的能量来说,如果我们把激光的脉冲时间从1秒缩短到0.1秒,那么我们就得到了10瓦的功率。
  如果从1秒缩短0.001秒,我们就得到了1000瓦的功率。
  同理,如果缩小到1皮秒呢?那么我们就得到了1,000,000,000,000瓦的功率(1万亿瓦)。
  对于普通大众来说,1万亿瓦的功率其实已经大到了不可思议。然而,我国造出的超短激光脉冲,在时间尺度上是飞秒级别,其功率比上面的1万亿瓦还要多3个0,达到了1000万亿瓦的级别。
  相信,研究激光的业内人士每天说“飞秒”、“阿秒”的次数绝对比很多人每天说“秒”的次数还要多,为此,我们先用一张表格来温故一下时间的量级:


图3

  我国造出的激光脉冲,在时间上短到飞秒级别,对应的激光也称为“飞秒激光”。1000万亿瓦等于1拍瓦(PW,105W),中科院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)的激光设备,其功率达到了5拍瓦。
它能产生很多极端条件
  超强超短激光功率如此的大,以至于,它能产生很多极端条件,而这些条件只有在恒星内部或是黑洞边缘才能产生。
  一、超强的光强
  目前,超强超短激光所能获得的最高光强为10^22瓦/平方厘米。这是一个多大的光强呢?如果我们把地球上接收到的太阳总辐射同时聚焦在一根头发丝粗细的尺度上,获得的光强也只有10^21瓦/平方厘米。
  二、超高的能量密度
  超强超短激光目前可以达到 3×1010 焦耳/立方厘米,这相当于是在1立方厘米的小体积内爆炸20吨的TNT炸药。
  三、超强的光压
  光会产生压力,这就是光压,也叫辐射压。还在科幻中的“太阳帆”就是以此为动力。太阳产生的光压很小很小,但是超强超短激光产生的光压接近大气压的1万亿倍。


图4 科幻设想中的太阳帆

它有哪些应用?
  超强超短激光产生的这些极端条件非常有用。其实,只要想一想就能明白,各国的粒子加速器,包括耗资巨大的、发现上帝粒子的欧洲大型强子对撞机,它们的目的都是为了制造出各种极端能量的粒子,迫使粒子加速并对碰,从而借此探索宇宙的奥秘。


图5 欧洲大型强子对撞机。

  而超强超短激光可以产生如此多的极端条件,那么其应用当然也是非常广泛的。
  例如,超强超短激光能产生超强的电场,利用这个电场可以加速粒子,现在,用激光加速粒子的相关实验,无论是国际上,还是我国的上海光机所等等,都在进行。如果实验未来获得突破,那么超强超短激光将会让未来的各种直线加速器小型化,同时成本降低。
  中科院上海光机所此次还制造出了反物质,也就是正电子,它有什么用?
  众所周知,只有当光子从树叶上反射并进入我们的眼睛时,我们才能看到那片树叶。而很多航空航天所需要的重要材料,其被生产出来,或者使用过以后后,我们很想了解其内部的微观结构、缺陷状态等信息,但又不能破坏材料本身,怎么弄?当然得使用无损探测。
  而超强超短激光可以在材料内部制造出反物质,也就是大量正电子,这些正电子与材料内部的电子发生湮灭,于是,电子的全部质量转变成电磁辐射,并以伽马光子射出,检测这些光子,我们也就间接地探测到了材料的内部情况。利用正电子湮没技术可以对材料内部进行原子尺度的缺陷和损伤进行探测。


图6 超强超短激光产生正电子示意图

  以上,只是超强超短激光的两个应用,未来,也许我们会发现,以上只是两个小应用而已。根据上海光机所所长李儒新研究员在“2015年国际光年报告会”上的介绍,2020年,在超强超短激光领域,可能实现以下梦想:产生纳米尺度的光束并应用于显微和存储;基于激光的超精密钟用于测量宇宙基本常数;激光聚变获得较大突破,人类获取清洁可持续能源迈出很大的一步;从飞秒激光发展到阿秒激光(阿秒脉冲),并以此探测电子的运动和化学反应。
  无疑,超强超短激光的应用将会非常广泛,正如美国学术杂志《科学》上的一篇分析文章指出“这项工作将影响每一项研究,从聚变到天体物理。”
各国争相发展
  超强超短激光早就成了国际上的研究热点和竞争重点。早在10年前,就有10个国家和地区的30个科研机构联合向欧盟提出“极端光设施计划”,此项计划预计耗资8.5亿欧元,其目标是产生200拍瓦的超强超短激光。


图7 还在施工中的极端光设施计划

图8 极端光设施计划完工后会是这样

  正因为各大国都在争相发展此项技术,所以,我们有充分的理由相信,未来,我们将陆续听到它带来的很多新应用,甚至是某些领域的革命。超强超短激光,它已然走在造福人类社会的路上了……
参考资料:
一、超强超短激光及其应用新进展(李儒新 冷雨欣 徐至展)
二、浅谈超强激光光源及其应用(李儒新)