中國團隊計劃打造 100 拍瓦的雷射裝置,進而實現「打破真空」現象

作者 | 發布日期 2018 年 02 月 02 日 6:00 | 分類 尖端科技 , 科技教育 , 自然科學 follow us in feedly

中國上海的實驗室裡,物理學家 Ruxin Li 和同事正在運用超強超短雷射實驗裝置(SULF),試圖製造出有史以來最強大的光脈衝,並在未來進一步實現「打破真空」(breaking the vacuum)現象。



2016 年時,研究人員透過 SULF 創造出功率達到 5.3 拍瓦(Petawatt,10 的 15 次方瓦特)的光脈衝,每個脈衝的持續時間都不到一兆分之一秒,目前團隊正在升級實驗裝置,期望在今年底再次打破紀錄,達到 10 拍瓦的目標。

但 10 拍瓦究竟是什麼樣的數字?試著這麼想好了,如果將全世界電網的脈衝功率相加,再乘以 1,000 倍,大約就等於 10 拍瓦。

Science 報導指出,研究人員的野心還不只於此。2018 年,上海團隊計劃建造一個稱為「極光站」(SEL)、能產生 100 拍瓦的雷射裝置,透過與 20 公尺深的地下室配合,能夠創造出極端的溫度與壓力條件,對於天體物理和材料科學的研究都相當有幫助。

除此之外,雷射技術的突破對醫學方面的研究也有許多幫助,但其中更引人注目的,還是對高等物理研究方面的影響。

就如同著名的 E = mc² 方程式的內容,在愛因斯坦的理論中,物質和能量是能進行互換,只是目前的情況,儘管核子武器已證明能將物質轉換為巨大的熱量與光,但要相反過來進行卻並不是這麼容易。

研究團隊認為,未來如果能將 SEL 雷射裝置產生的 100 拍瓦光脈衝聚焦到極微小的區域,光線將會具有足夠能量在空間中創造出電子和正電子(Positrons,電子的反粒子),實現稱為「打破真空」(breaking the vacuum)現象。

Ruxin Li 認為,這項工作非常令人興奮,「這意味著你可以從無到有製造出一些東西。」

▲ 宇宙是非常接近真空的環境。(Source:pixabay

量子電動力學(QED)理論中,真空並不像古典物理學認為的那麼空洞。由於量子力學的不確定性,在短得難以注意到的時間裡,電子和正電子相互閃爍存在,由於相互之間的吸引力,它們在碰撞時會直接湮滅,釋放出能量。

然而,在非常高強度的雷射光脈衝下,電場強度或許有機會打破電子和正電子間的吸引力,並促使它們開始擺動發出伽馬射線,並在後續過程釋放出足以探測到的輻射量,進而鞏固量子電動力學的預測及理論。

除了處於領先地位的上海團隊外,其他國家的研究團隊也在積極追趕而來。歐洲 ELI 中心預計將在未來幾年內打造 10 拍瓦的雷射裝置,日本有 30 拍瓦裝置的提案,俄羅斯的 XCELS 中心則對 180 拍瓦裝置已著手設計。

如此激烈的競爭下,究竟哪個團隊能率先取得成功仍是未知之數,但就像俄羅斯國家科學院(RAS)應用物理研究所前主任 Alexander Sergeev 所說,「這會是全新的物理學。」

(首圖來源:上海科技大學