真空非空：地表最强激光冲击能量极限，将让虚粒子无处遁形

来源：中科院物理所

图源：Alex Schlegel

若在遥远缥缈的太空深处有这样一个地方——它距离地球许多光年，同时与任何星云、恒星和单原子都相距无限远。那我们会尝试用许多词汇来描述它：虚无之地、真空或者宇宙的空白。但实际上，这片虚无的真空区域却并非一片死寂，相反里面充斥着活跃的粒子活动。而现在科学家正尝试用激光观测它们。

根据量子理论，真空空间中充满了虚粒子。它们不仅真实存在着，同时也保证了现实世界的正常运作。除非你有非常强大的探测工具，否则你几乎无法检测到它们。“通常，人们口中所说的真空，意味着这个空间什么都没有。”来自瑞士哥德堡查尔摩斯理工大学的Mattias Marklund 表示，“但利用激光就可以告诉你真空里藏着什么。”

探寻虚粒子

要想知道虚粒子究竟是什么样子，研究者就需要将它们转化成某种可探测到的事物，而实现这一过程就要用到激光。这正是物理学家们正在努力完成的事情，从几个月前第一次开机到现在，一台位于罗马尼亚的探测器不仅展示出了真空的真相，还有助于人类理解暗能量。

真空中充满虚粒子听起来比较难以理解，毕竟宇航员没有真的在虚粒子海洋里遨游，卫星的运转也没有被它们阻碍。虚粒子是不可触摸的，那我们为什么会知道它们的存在？这主要是得益于量子电动力学理论（QED）的出现，其是量子理论的分支，利用它可以预测光子、光粒子与电子是如何相互作用的。

上世纪30年代，物理学家建立了QED理论。当时，只有把粒子间相互靠近与远离的所有方式都纳入考虑，这种计算方式才有效。这其中也包括了违反物理学规律的粒子运作方式，而粒子一旦采取了这种方式进行运动，它就成为了非真实存在的粒子了。这便引出一个历史问题：如何解释数学上存在，但是现实中并不存在的事情呢？

过去随QED诞生的还有一个很有吸引力的假说：如果电场足够强，那么真空就可以“被打破”，虚粒子也能被观测到。虚粒子包括虚电子和虚正电子，二者会在接触中湮灭从而无法被检测到。但如果能制造出一个强大的电场，这两部分就可以被分开，成为可以被探测到的、真正的粒子。

该情况需要的能量阈值被称作Schwinger极限，它是以QED理论家、诺贝尔获奖者Julian Schwinger的名字命名的。在该极限下，真空里不再是什么都没有，相反会检测到许多虚粒子。“真空终于不“空”了。”捷克理论物理学家Sergei Bulanov说。

若要达到Schwinger极限，需要用超大数量的光子轰击虚粒子，这样才能获得所需的能量。那么这个能量值是多少呢？其相当于地球上所有发电厂提供能量的十亿倍，并且还要将其输入进一个还没有原子大的空间里。这听起来不太现实，除非我们可以缓慢积攒能量然后通过巨大光束一次性发射出去。

用激光来完成任务

在这种需求下，激光器就可以派上用场了。激光器内部会通过一系列连锁反应制造出大量相同频率的光子，当这些光子从窄束中发射出来时，其产生的能量能够切割钢铁。但是早期的激光强度是有限的，科学家也一直在寻找一种材料，可以保证高强度的激光不会过度损坏激光器的内部结构。1985年，纽约罗彻斯特大学的物理学家Gérard Mourou和Donna Strickland发明了一种放大激光的技术。他们发现了一种可以先展宽激光脉冲，从而使脉冲减弱，然后再放大激光。这样就可以避免其对激光器内部结构的灼烧损伤，这样科学家就能够提高增能过程中获得的能量。Mourou和Strickland在2018年因开发出高强度激光系统获得了诺贝尔物理学奖。

即便如此，Mourou还有个更大的目标，“激光的能量从前是十亿瓦，现在是太瓦级（1万亿瓦），那么拍瓦级（1000太瓦）也是能实现的，”他说，“所以我们就不禁会想，我们真的能打破真空吗？”

2005年，Mourou开始构想一个可以产生Schwinger极限能量激光的巨型激光器。于是一项超强激光器计划（Extreme Light Infrastructure Project, ELI）启动了，不出几年，就有来自13个欧洲国家的40个实验室参与其中，这项计划还得到了欧盟8.5亿欧元的财政支持。如今这个项目有三个站点，其中，位于罗马尼亚布加勒斯特附近的ELI原子核物理学实验室拥有两个拍瓦级的激光器，其在最高强度下工作时可以达到全球最强激光器的水准。目前，实验室正在逐渐提高该激光器的强度并进行测试。

ELI实验室拥有部分世界最强激光器。图源：LLNL

激光不仅仅可以把虚粒子转变成实粒子，这种转变过程或许能够让我们更好地理解暗能量这个宇宙学中最大的谜题。科学界现在知道，有些东西正在让宇宙膨胀的速度变得越来越快，但是它是什么呢？有人怀疑这种现象发生的原因正是虚粒子所蕴藏的能量。

在最高强度下，ELI的激光器会比英国“双子星”激光器强1000倍。图源：CTK / Alamy Stock Photo

但现在就存在一个问题，如果我们把虚粒子的能量计算进来，宇宙的膨胀速度应该要比实际的更快。而我们只有真正探测到虚粒子时才有可能解答这个问题。

ELI可以帮助我们理解宇航员常在夜空看到的快速和耀眼的伽马射线暴和无线电波。这些射线有时发出的能量比太阳年产能的数千倍还要多。没有人知道为什么会有这些能量爆发，我们只能推测或许是电子和正电子会激烈地交织旋转并生成等离子体，这一过程抛出大量光子。而ELI发出的激光也可以制造电子-正电子的等离子体，这能让我们更好地理解这些宇宙现象。

当然我们更期望ELI能让我们发现在能量达到Schwinger极限时会发生什么。在日常条件下，我们可以用理论非常精确地预测出包含电子和正电子的实验结果。但是，只要超出Schwinger极限一点点，这个理论就行不通了。因为随着能量增加，虚粒子的运动路径会越来越难以预测，理论算法就派不上用场了。“而实际发生了什么却变成了一个没有解决的问题。”Bulanov说。

于是，科学家都热切期待ELI的实验项目能够解决这个问题。但目前ELI中三台激光器还没有一台设备能够独立达到Schwinger极限。哪怕第四台ELI激光器强度比现在任何一台激光器都高上十倍，与Schwinger极限的能量强度相比仍然弱了一万倍。Michael Donovan是在位于奥斯汀的德州拍瓦级激光器研究中心（Texas Petawatt Laser）的主任，他说：“现存设备还没有能达到Schwinger极限的。”

但是Schwinger极限的特性让虚粒子不一定要达到阈值时才能被检测到，也就是说在低强度激光的照射下，虚粒子或许就能够开始向实粒子转化。

电子雪崩

在2010年，Mourou与同事就发现在低能量实验激光束周围可以观测到具现化的虚粒子旋转，这一过程中它们会释放出光子，然后转化成电子-正电子对，而新生成的电子对又会互相接触从而湮灭释放出光子。如此反复循环的过程，被称作电子-正电子雪崩。

天体物理学家可以通过这一现象研究电子-正电子等离子体，但是电子雪崩会掩盖掉虚粒子对的转化过程，甚至会耗费激光的能量，激光能量就更难达到真正的Schwinger极限。Jonathan Wheller是一名合作研究者，他说“发现这一现象后，我们知道我们的确达不到极限。但我们又学到了一些其他的事情。”

科学家并没有放弃对极限的追求。在Mourou的论文发表不久后，Bulanov和同事发现雪崩效应仅仅在圆偏振激光束下出现，这种情况下，电场会随着激光束的前进螺旋形旋转。他们计算出，如果改用线偏振激光束，电子和正电子就可随激光束呈Z字形运动，这种情况下它们制造出的光子会大大减少，从而避免电子雪崩的发生。Bulanov说，“实际上，我们可以达到Schwinger极限。”

还有科学家也尝试来达到Schwinger极限。为了克服ELI激光强度不够高的缺陷，激光理论家也在尝试各种方法加强激光能量。其中一个方案是让两束或更多束的激光束交叉，这样交汇点的激光强度可以变为之前的两倍或更多。这方法听起来简单，但是Wheeler和其他人确认为这个方案的实践细节会非常复杂。

另一个更好的方案听起来会有点奇异：使用一面近光速飞行的镜子。如果激光束在这面镜子上反射，那么波长就会被压缩使其聚集在一个更小的点上。这个点越小，光所含的能量就越强。Bulanov在2003年第一次提出了这个方案，不过这个方案中的镜子并不是日常生活使用的镜子，而且想要让镜子达到近光速飞行所需的能量也难以想象。但Bulanov说，这个镜子可以用电子等离子体的光波来组成，它们也可以反射激光。

五年前，Bulanov发表了第一个模拟飞行镜子原理的实验研究结果。他现在负责ELI的High Field行动，这个项目正在寻找使激光强度最大化的方法。“我敢完全肯定这个想法是行得通的，”Bulanov说。同时，Wheeler和Mourou也在寻找打破Schwinger极限的方法。Mourou说，“我们会找到的。”

现在，有些人已经找到了其他提高激光强度的方法，并且也看到了一些特殊的现象。在2018年2月，由Stuart Mangles领导的国际团队在伦敦皇家学院（Imperial College London）用英国中央激光设备中的Gemini激光器向迎面的电子束发射了一束激光。二者的碰撞放大了能量。这就像是两辆车迎面相撞，会发生大爆炸（而一辆车撞到墙上却不会有这样的结果）。

英国Gemini激光器

制造更强的激光

研究团队发现这一过程中电子释放出了光子，并在过程中出现了电子反冲现象（电子获得巨大能量，被光子散射）。要达到这种现象，电子需要以一种极其复杂的方式吸收大量的光子，这能够让其到达QED理论描述的能量界限。Mangles说，“从物理学角度看，我们已经在通往Schwinger极限的路上了。”

同时，其他可以与ELI媲美的激光装置也正在研发中，包括俄罗斯的艾瓦级超强激光研究中心（Exawatt Center for Extreme Light Studies），上海的超强激光站（Station of Extreme Light）。David Reis是加州斯坦福大学的激光物理学家，他说上海新的激光装置会建造在另一台大型激光器旁边，或许这可以让两束激光束碰撞在一起。他说，“那场面会非常震憾。”

激光物理学的未来很有前景。Mourou希望可以他和Strickland的诺贝尔奖可以让科学界不断突破激光强度。Wheeler回忆起，他在最近的一次会议中听到了有关超越Schwinger极限的预言，“Mourou说，这一事件五年之内就会出现，尽管听起来让人紧张但我笑了，”他说，“接下来的几年应是非常激动人心的。”

撰文丨Jon Cartwright

翻译丨许楠