超快激光將徹底改變物理學(xué)

在今天的《科學(xué)美國(guó)人》（Scientific American）雜志上，剛登載了一篇著名美籍華人科學(xué)家的專稿文章，標(biāo)題為：“超快、超強(qiáng)的激光將徹底地改變物理學(xué)”。

在介紹這篇文章前，我們先簡(jiǎn)介文章作者、華人科學(xué)家。她名為塔米·馬（Tammy Ma），自小隨沒(méi)機(jī)會(huì)讀完高中的父母從加拿大移民到美國(guó)。2005年獲得加州理工學(xué)院的航空工程學(xué)士學(xué)位，2008年獲得碩士學(xué)位和博士學(xué)位。以后在美國(guó)能源部所屬的國(guó)家研究機(jī)構(gòu)——?jiǎng)趥愃埂だツ獱枃?guó)家實(shí)驗(yàn)室完成博士后研究，并成為一名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。最近獲得總統(tǒng)科學(xué)與工程學(xué)早期職業(yè)獎(jiǎng)，這是美國(guó)政府授予年青科學(xué)與工程專業(yè)人士最高榮譽(yù)，獲得過(guò)美國(guó)物理學(xué)會(huì)Thomas H. Stix獎(jiǎng)，以表彰在等離子體物理研究方面的杰出早期職業(yè)貢獻(xiàn)。受邀作為嘉賓參加世界經(jīng)濟(jì)論壇。
她在文章中介紹：“不久前，我還在讀研究生時(shí)，參加了我的第一個(gè)高強(qiáng)度激光等離子體實(shí)驗(yàn)。大約每隔一小時(shí)，高功率激光器將釋放不到1萬(wàn)億分之一秒長(zhǎng)的能量，釋放出1皮瓦的能量，這是整個(gè)美國(guó)電網(wǎng)提供的功率的100倍，聚焦到直徑為直徑的十分之一的點(diǎn)上，猶如一根人的頭發(fā)，放在一個(gè)微小的金屬箔靶上。”

強(qiáng)度如此之大，以至于我們將產(chǎn)生令人難以置信的高溫和高密度的等離子體，用于研究所謂的高能密度物理學(xué)（英文：High-Energy-Density Physics，簡(jiǎn)稱HEDP）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)樣品的精確加熱和壓縮可能會(huì)產(chǎn)生微小的爆炸，從而復(fù)制超新星內(nèi)部發(fā)生的事情。

或者，我們可以仔細(xì)選擇目標(biāo)材料和結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生一種巨大的X射線或粒子通量，這種方式對(duì)于某天驅(qū)動(dòng)比今天使用的更緊湊的粒子加速器非常理想。在某些情況下，通過(guò)巨大的光壓對(duì)材料進(jìn)行的極端壓碎甚至通過(guò)完全重新排列原子和分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了一種全新的物質(zhì)狀態(tài)，這是地球上從未有過(guò)的狀態(tài)。

但是，盡管這些研究非常復(fù)雜，但實(shí)際上整個(gè)交互和“實(shí)驗(yàn)”都將在眨眼間結(jié)束，實(shí)際上，比眨眼快1000億倍。在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)，我們的中子、帶電粒子、x射線和光學(xué)診斷程序套件，將捕獲激光與小目標(biāo)及其產(chǎn)生的等離子體的瞬時(shí)相互作用。然后，我們的研究人員將分散到目標(biāo)區(qū)域以檢索我們的數(shù)據(jù)，收集膠片并保存有時(shí)使用30多種儀器的圖像。

然后，這將使我們能夠推斷出，我們?cè)谖⑿图铀倨髦屑铀倭硕嗌賯€(gè)粒子，或者新材料是處于晶態(tài)還是非晶態(tài)，或者我們創(chuàng)造的超新星有多亮。在激光冷卻所需的時(shí)間內(nèi)，我們將重置設(shè)備，更換濾鏡和膠片，裝入新的目標(biāo)，然后在一個(gè)小時(shí)后重復(fù)一次。實(shí)驗(yàn)室里的好日子是收集7到8個(gè)質(zhì)量數(shù)據(jù)點(diǎn)。

那些都是2006年的事情。進(jìn)到2020年，高能密度物理領(lǐng)域已得到發(fā)展。設(shè)施已經(jīng)變得更加通用，可以將多個(gè)激光器或與X射線自由電子激光器（英文：X-ray Free Electron Lasers，XFEL）或脈沖功率機(jī)組合在一起的激光器。實(shí)驗(yàn)人員開(kāi)發(fā)了許多新的測(cè)量技術(shù)，它們能夠在超短時(shí)間和長(zhǎng)度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的精度。目標(biāo)變得更加復(fù)雜和先進(jìn)；它們可能包含金屬固體或泡沫，或包含氣體的中空塑料的胡椒大小的珠子，旨在產(chǎn)生精確的能量和粒子特征。所有這些新技術(shù)都在高能密度物理方面取得了巨大進(jìn)步，產(chǎn)生了與行星科學(xué)、天體物理學(xué)、材料物理學(xué)和聚變有關(guān)的新知識(shí)。

但是現(xiàn)在，我們正處于針對(duì)我們領(lǐng)域的徹底范式轉(zhuǎn)變的風(fēng)口浪尖?，F(xiàn)在可以以超過(guò)10赫茲（每秒10次）的重復(fù)頻率運(yùn)行高強(qiáng)度短脈沖激光器，而不是每小時(shí)運(yùn)行一次！激光架構(gòu)的發(fā)展和先進(jìn)的冷卻方案使激光每秒可發(fā)射多次，而不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致熱變形的熱量。

借助這種技術(shù)，高能密度實(shí)驗(yàn)本身可以以很高的重復(fù)率運(yùn)行，從而通過(guò)巨大的乘法因子來(lái)增加所獲取的數(shù)據(jù)量，可以探索的測(cè)量類型以及測(cè)量的數(shù)量級(jí)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)提高（從而減少誤差線并使我們的知識(shí)更精確）。等離子體是物質(zhì)的第四種狀態(tài)，是宇宙中最普遍存在的（普通而不是暗物質(zhì)）形式。由于要考慮的等離子體相空間非常大，因此為該勘探提供更多的實(shí)驗(yàn)通量。

當(dāng)然，要使這樣的快速實(shí)驗(yàn)成為現(xiàn)實(shí)，不僅必須提高激光器的運(yùn)行速度，所有其他子系統(tǒng)也必須相應(yīng)地提高速度。這就是令人興奮的地方；在計(jì)算能力、機(jī)器學(xué)習(xí)、認(rèn)知模擬、增材制造和測(cè)量技術(shù)方面的最新進(jìn)展意味著，現(xiàn)在是將所有這些結(jié)合在一起以比以前更快幾百到幾千倍地執(zhí)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)機(jī)。簡(jiǎn)而言之，可以加快學(xué)習(xí)速度，而且毫不夸張地說(shuō)，這將對(duì)高能密度物理學(xué)產(chǎn)生變革。

從本質(zhì)上講，將這些技術(shù)整合在一起將創(chuàng)建一個(gè)知識(shí)工廠，一種高響應(yīng)率的實(shí)驗(yàn)激光器，通過(guò)將最先進(jìn)的硬件和從頭開(kāi)始的機(jī)器學(xué)習(xí)分析相結(jié)合，可以同時(shí)加速經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)模型開(kāi)發(fā)以及整個(gè)設(shè)施的端到端。

這實(shí)際上是什么樣的？通過(guò)一系列反饋循環(huán)來(lái)概念化這樣的工廠。在高重復(fù)率下，激光工廠可靠地執(zhí)行了數(shù)百萬(wàn)次發(fā)射，并處于安全的工作狀態(tài)，同時(shí)激光的能量，脈沖長(zhǎng)度、焦點(diǎn)和其他參數(shù)不斷自動(dòng)地修改所產(chǎn)生的等離子體作為反饋回路一。代替研究生收集X射線膠片，數(shù)字化的數(shù)據(jù)在每次拍攝后立即進(jìn)行分析和縮減，并反饋給目標(biāo)和激光，以優(yōu)化參數(shù)并修改下一個(gè)鏡頭的目標(biāo)設(shè)計(jì)作為第二個(gè)循環(huán)。

增材制造的進(jìn)步可以“按需”產(chǎn)生這些更復(fù)雜的目標(biāo)作為循環(huán)三。增強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算能力和新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)帶來(lái)了數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)和使用高保真模擬與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較的新方法作為循環(huán)4、5和6。這些協(xié)作技術(shù)使新的發(fā)現(xiàn)過(guò)程成為可能。

在高能密度科學(xué)中，目標(biāo)是變得更熱、更密、更好、更快，以實(shí)現(xiàn)天體物理學(xué)中新的等離子體現(xiàn)象狀態(tài)并創(chuàng)建新的物質(zhì)狀態(tài)。就在過(guò)去的幾年中，我們看到了高能密度取得的一些令人興奮的結(jié)果：通過(guò)壓縮已知的最難壓縮的材料金剛石，并測(cè)量其晶體結(jié)構(gòu)隨壓力的增加而變化，并將這些數(shù)據(jù)與行星演化模型進(jìn)行比較，證明木星的核心是由純鉆石制成。

激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變?nèi)〉昧碎L(zhǎng)足的進(jìn)步。我們必須達(dá)到壓力和限制時(shí)間的70％以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的熱核燃燒，其中輸出能量大于輸入能量。等離子體正以全新的方式被操縱以充當(dāng)無(wú)限通用的光學(xué)器件。想象一下，使用新的高重復(fù)率設(shè)備，每小時(shí)可以拍攝數(shù)千張照片，而不是現(xiàn)在每小時(shí)只可以拍幾張照片，科學(xué)進(jìn)步將有多快。確實(shí)，這將是一個(gè)富有成果的發(fā)現(xiàn)之地。

超快、超強(qiáng)激光將徹底改變物理學(xué)，它們將成為行星科學(xué)、天體物理學(xué)、材料物理學(xué)、聚變等領(lǐng)域的“發(fā)現(xiàn)工廠”的心臟。如上圖所示，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）的一個(gè)所謂的“Hohlraum”手持微小的器械，將用強(qiáng)力激光對(duì)其進(jìn)行爆炸，以點(diǎn)燃核聚變。