超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生正電子示意圖
科幻設(shè)想中的太陽(yáng)帆 科幻設(shè)想中的太陽(yáng)帆
近日，“中科院上海光機(jī)所利用超強(qiáng)超短激光成功產(chǎn)生反物質(zhì)”這則新聞廣為傳播。這是國(guó)內(nèi)首次報(bào)道利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)。不過(guò)，很多網(wǎng)友在被“反物質(zhì)”一詞吸引的同時(shí)，卻忽略了背后另一個(gè)更重大且更有意義的成就——中國(guó)在“超強(qiáng)超短激光”上的一些突破。
什么是“超強(qiáng)超短激光”？
不少人第一眼看到“超強(qiáng)超短”會(huì)對(duì)其發(fā)生誤解。超強(qiáng)很好理解，而超短，不少人容易把其理解為“距離上的長(zhǎng)短”，但實(shí)際上，這里的“短”是時(shí)間上的長(zhǎng)短。
大功率激光是各國(guó)夢(mèng)寐以求的，因?yàn)椋芨傻氖聦?shí)在是太多，比如軍事愛好者們所熟知的激光武器，還有制造人工可控核聚變所需條件等等。
耗資數(shù)十億美元的美國(guó)“國(guó)家點(diǎn)火裝置”中使用的燃料球，他們使用192門激光在十億分之一秒的時(shí)間內(nèi)同時(shí)發(fā)射并擊中鉛筆頭大小的燃料球，從而引發(fā)核聚變。
然而，大功率激光并非那么容易產(chǎn)生，并不是說(shuō)給一個(gè)激光設(shè)備提供的能量越大，激光的功率就會(huì)越大。顯然，單純地提供大能量以進(jìn)一步提高激光的功率現(xiàn)在已經(jīng)變得很難，造價(jià)也越發(fā)昂貴。
怎么辦？
我們知道：功率=功/時(shí)間=w/t
既然在“功”上突破已經(jīng)很昂貴且很難，那么，我們就從“時(shí)間”上來(lái)突破。
顯而易見，相同的功，做功時(shí)間越短，功率就會(huì)越大。當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮小時(shí)，功率就會(huì)趨于無(wú)窮大。
1瓦特（功率）=1焦耳/1秒。
對(duì)于1焦耳的能量來(lái)說(shuō)，如果我們把激光的脈沖時(shí)間從1秒縮短到0.1秒，那么我們就得到了10瓦的功率。
如果從1秒縮短0.001秒，我們就得到了1000瓦的功率。
同理，如果縮小到1皮秒呢？那么我們就得到了1，000，000，000，000瓦的功率（1萬(wàn)億瓦）。
對(duì)于普通大眾來(lái)說(shuō)，1萬(wàn)億瓦的功率其實(shí)已經(jīng)大到了不可思議。然而，我國(guó)造出的超短激光脈沖，在時(shí)間尺度上是飛秒級(jí)別，其功率比上面的1萬(wàn)億瓦還要多3個(gè)0，達(dá)到了1000萬(wàn)億瓦的級(jí)別。
相信，研究激光的業(yè)內(nèi)人士每天說(shuō)“飛秒”、“阿秒”的次數(shù)絕對(duì)比很多人每天說(shuō)“秒”的次數(shù)還要多，為此，我們先用一張表格來(lái)溫故一下時(shí)間的量級(jí)：
我國(guó)造出的激光脈沖，在時(shí)間上短到飛秒級(jí)別，對(duì)應(yīng)的激光也稱為“飛秒激光”。1000萬(wàn)億瓦等于1拍瓦（PW），中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱上海光機(jī)所）的激光設(shè)備，其功率達(dá)到了5拍瓦。
它能產(chǎn)生很多極端條件
超強(qiáng)超短激光功率如此的大，以至于，它能產(chǎn)生很多極端條件，而這些條件只有在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能產(chǎn)生。
一、超強(qiáng)的光強(qiáng)
目前，超強(qiáng)超短激光所能獲得的最高光強(qiáng)為1022瓦/平方厘米。這是一個(gè)多大的光強(qiáng)呢？如果我們把地球上接收到的太陽(yáng)總輻射同時(shí)聚焦在一根頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度上，獲得的光強(qiáng)也只有1021瓦/平方厘米。
二、超高的能量密度
超強(qiáng)超短激光目前可以達(dá)到3×1010焦耳/立方厘米，這相當(dāng)于是在1立方厘米的小體積內(nèi)爆炸20噸的TNT炸藥。
三、超強(qiáng)的光壓
光會(huì)產(chǎn)生壓力，這就是光壓，也叫輻射壓。還在科幻中的“太陽(yáng)帆”就是以此為動(dòng)力。太陽(yáng)產(chǎn)生的光壓很小很小，但是超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生的光壓接近大氣壓的1萬(wàn)億倍。
它有哪些應(yīng)用？
超強(qiáng)超短激光產(chǎn)生的這些極端條件非常有用。其實(shí)，只要想一想就能明白，各國(guó)的粒子加速器，包括耗資巨大的、發(fā)現(xiàn)上帝粒子的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，它們的目的都是為了制造出各種極端能量的粒子，迫使粒子加速并對(duì)碰，從而借此探索宇宙的奧秘。
而超強(qiáng)超短激光可以產(chǎn)生如此多的極端條件，那么其應(yīng)用當(dāng)然也是非常廣泛的。
例如，超強(qiáng)超短激光能產(chǎn)生超強(qiáng)的電場(chǎng)，利用這個(gè)電場(chǎng)可以加速粒子，現(xiàn)在，用激光加速粒子的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是國(guó)際上，還是我國(guó)的上海光機(jī)所等等，都在進(jìn)行。如果實(shí)驗(yàn)未來(lái)獲得突破，那么超強(qiáng)超短激光將會(huì)讓未來(lái)的各種直線加速器小型化，同時(shí)成本降低。
中科院上海光機(jī)所此次還制造出了反物質(zhì)，也就是正電子，它有什么用？
眾所周知，只有當(dāng)光子從樹葉上反射并進(jìn)入我們的眼睛時(shí)，我們才能看到那片樹葉。而很多航空航天所需要的重要材料，其被生產(chǎn)出來(lái)，或者使用過(guò)以后后，我們很想了解其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)等信息，但又不能破壞材料本身，怎么弄？當(dāng)然得使用無(wú)損探測(cè)。
而超強(qiáng)超短激光可以在材料內(nèi)部制造出反物質(zhì)，也就是大量正電子，這些正電子與材料內(nèi)部的電子發(fā)生湮滅，于是，電子的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)變成電磁輻射，并以伽馬光子射出，檢測(cè)這些光子，我們也就間接地探測(cè)到了材料的內(nèi)部情況。利用正電子湮沒技術(shù)可以對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行原子尺度的缺陷和損傷進(jìn)行探測(cè)。
以上，只是超強(qiáng)超短激光的兩個(gè)應(yīng)用，未來(lái)，也許我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，以上只是兩個(gè)小應(yīng)用而已。根據(jù)上海光機(jī)所所長(zhǎng)李儒新研究員在“2015年國(guó)際光年報(bào)告會(huì)”上的介紹，2020年，在超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域，可能實(shí)現(xiàn)以下夢(mèng)想：產(chǎn)生納米尺度的光束并應(yīng)用于顯微和存儲(chǔ)；基于激光的超精密鐘用于測(cè)量宇宙基本常數(shù)；激光聚變獲得較大突破，人類獲取清潔可持續(xù)能源邁出很大的一步；從飛秒激光發(fā)展到阿秒激光（阿秒脈沖），并以此探測(cè)電子的運(yùn)動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)。
無(wú)疑，超強(qiáng)超短激光的應(yīng)用將會(huì)非常廣泛，正如美國(guó)學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上的一篇分析文章指出“這項(xiàng)工作將影響每一項(xiàng)研究，從聚變到天體物理。”
各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展
超強(qiáng)超短激光早就成了國(guó)際上的研究熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)。早在10年前，就有10個(gè)國(guó)家和地區(qū)的30個(gè)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合向歐盟提出“極端光設(shè)施計(jì)劃”，此項(xiàng)計(jì)劃預(yù)計(jì)耗資8.5億歐元，其目標(biāo)是產(chǎn)生200拍瓦的超強(qiáng)超短激光。
正因?yàn)楦鞔髧?guó)都在爭(zhēng)相發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)，所以，我們有充分的理由相信，未來(lái)，我們將陸續(xù)聽到它帶來(lái)的很多新應(yīng)用，甚至是某些領(lǐng)域的革命。超強(qiáng)超短激光，它已然走在造福人類社會(huì)的路上了……
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