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　　相對論的平面激光脈沖與“光扇”結(jié)構(gòu)固體靶相互作用，反射出相對論強(qiáng)度的渦旋激光脈沖。后者攜帶有很高的角動量密度，而等離子體也獲得同量反向的軌道角動量。

　　光子可以推動航天器(圖一)，這種看似科幻式的想象有個形象的名字叫做光帆。在如今的科研前沿，相對論的超強(qiáng)超快激光可以被用來推動電子層運(yùn)動，從而加速質(zhì)子。這也被稱之為光壓加速。

　　光子除了有一般的線性動量外，也有角動量。后者包括自旋角動量和軌道角動量，可以分別類似對應(yīng)到地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽的公轉(zhuǎn)。這在較弱的激光物質(zhì)相互作用領(lǐng)域已經(jīng)被理論和實驗大量研究，而且有一些實際的應(yīng)用比如光鑷。但如果光強(qiáng)到達(dá)相對論強(qiáng)度，原子會被迅速電離為等離子體狀態(tài)。其中電子在激光場中的振蕩速度可以非常接近光速，許多相對論效應(yīng)都會出現(xiàn)。比如非線性效應(yīng)導(dǎo)致的高次諧波。

圖一 光帆推動宇航器

　　如果我們將相對論強(qiáng)度的激光直接照射在特殊結(jié)構(gòu)的固體薄靶上，那么靶材表面產(chǎn)生的特殊結(jié)構(gòu)等離子體也會讓參與作用的激光改變結(jié)構(gòu)(圖二)。模擬和理論結(jié)果顯示反射光變成一種攜帶軌道角動量的相對論量級的渦旋光束。這種光束的波前相位面呈現(xiàn)出一種渦旋的扭曲面，通過麥克斯韋方程的光波理論可以預(yù)計這種形式的光束將攜帶一定的軌道角動量。靶材內(nèi)的等離子體物質(zhì)同時可獲得等量反向的軌道角動量(相關(guān)的模擬動畫可見。

圖二 光扇

　　當(dāng)然這并非題目中所說的真的“轉(zhuǎn)動”了，而是指根據(jù)對等離子體所有粒子統(tǒng)計得到的凈軌道角動量。但即使這樣，得到的相對論渦旋光和在相對論激光等離子體中對角動量效應(yīng)的首次強(qiáng)調(diào)也很有意義。

　　比如我們已經(jīng)利用現(xiàn)有的相對論強(qiáng)激光技術(shù)在幾個微米的尺度下加速出了幾個GeV的電子束，這在能量上已經(jīng)可以媲美現(xiàn)有的幾公里尺寸的傳統(tǒng)加速器了(比如上海光源)，被稱之為激光等離子體尾波加速器。但已有光源與等離子體相互作用產(chǎn)生的獨特場結(jié)構(gòu)也讓加速正電子或帶正電荷的離子變得很困難。一個重要原因就是，加速過程中橫向的力分布不再是匯聚的(對于負(fù)電荷的電子是匯聚的，但對于正電荷的離子就是發(fā)散的了)。而上海光機(jī)所強(qiáng)光實驗室的沈百飛小組與國際上的其他小組都提出了利用渦旋光與等離子體相互作用產(chǎn)生的獨特結(jié)構(gòu)來有效加速正電荷的離子。

　　由于在天體環(huán)境中，自旋與公轉(zhuǎn)幾乎是比單一方向的運(yùn)動更普遍的現(xiàn)象。而自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)更多在機(jī)械引力范圍進(jìn)行考慮，但我們獲得遙遠(yuǎn)時空處的信息卻更多是通過不同頻段的輻射。這提供了天文學(xué)家?guī)缀跛嘘P(guān)于宇宙的信息。除此之外，在黑洞與中子星等極端環(huán)境下，輻射能與物質(zhì)能達(dá)到可比的程度。輻射甚至?xí)绊懱祗w的機(jī)械運(yùn)動。而這些平衡運(yùn)動中，無不關(guān)系到角動量。至今，角動量在光與物質(zhì)的相互作用中扮演何種角色仍然需要更多研究。如果說線性動量守恒是時空平移不變(或叫對稱)的結(jié)果，那么角動量守恒就是自旋和公轉(zhuǎn)保持不變的結(jié)果。我們不清楚來自遙遠(yuǎn)宇宙的超新星爆炸產(chǎn)生的高能粒子到達(dá)地球與我們細(xì)胞中的DNA相互作用時，是否有角動量參與作用。也不知道在黑洞與中子星的極端條件下，是否仍然存在一種角動量的守恒。宇宙環(huán)境的某些各向同性又與產(chǎn)生之初的角動量分布有沒有關(guān)系？如果我們在實驗室條件下可以得到相對論量級的渦旋光束，那么就可以在實驗室里更加可靠地模擬一些天體環(huán)境和研究角動量的影響。不僅如此，如果這種相對論的強(qiáng)激光可以被想象用作加速飛行器，那么同樣強(qiáng)度的渦旋光就有可能對飛行器進(jìn)行復(fù)雜的空間方位調(diào)節(jié)。