超強超短激光產(chǎn)生正電子示意圖
科幻設(shè)想中的太陽帆 科幻設(shè)想中的太陽帆
近日，“中科院上海光機所利用超強超短激光成功產(chǎn)生反物質(zhì)”這則新聞廣為傳播。這是國內(nèi)首次報道利用激光產(chǎn)生反物質(zhì)。不過，很多網(wǎng)友在被“反物質(zhì)”一詞吸引的同時，卻忽略了背后另一個更重大且更有意義的成就——中國在“超強超短激光”上的一些突破。
什么是“超強超短激光”？
不少人第一眼看到“超強超短”會對其發(fā)生誤解。超強很好理解，而超短，不少人容易把其理解為“距離上的長短”，但實際上，這里的“短”是時間上的長短。
大功率激光是各國夢寐以求的，因為，它能干的事實在是太多，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“國家點火裝置”中使用的燃料球，他們使用192門激光在十億分之一秒的時間內(nèi)同時發(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，并不是說給一個激光設(shè)備提供的能量越大，激光的功率就會越大。顯然，單純地提供大能量以進一步提高激光的功率現(xiàn)在已經(jīng)變得很難，造價也越發(fā)昂貴。
怎么辦？
我們知道：功率=功/時間=w/t
既然在“功”上突破已經(jīng)很昂貴且很難，那么，我們就從“時間”上來突破。
顯而易見，相同的功，做功時間越短，功率就會越大。當時間趨于無窮小時，功率就會趨于無窮大。
1瓦特（功率）=1焦耳/1秒。
對于1焦耳的能量來說，如果我們把激光的脈沖時間從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（1萬億瓦）。
對于普通大眾來說，1萬億瓦的功率其實已經(jīng)大到了不可思議。然而，我國造出的超短激光脈沖，在時間尺度上是飛秒級別，其功率比上面的1萬億瓦還要多3個0，達到了1000萬億瓦的級別。
相信，研究激光的業(yè)內(nèi)人士每天說“飛秒”、“阿秒”的次數(shù)絕對比很多人每天說“秒”的次數(shù)還要多，為此，我們先用一張表格來溫故一下時間的量級：
我國造出的激光脈沖，在時間上短到飛秒級別，對應(yīng)的激光也稱為“飛秒激光”。1000萬億瓦等于1拍瓦（PW），中科院上海光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）的激光設(shè)備，其功率達到了5拍瓦。
它能產(chǎn)生很多極端條件
超強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、超強的光強
目前，超強超短激光所能獲得的最高光強為1022瓦/平方厘米。這是一個多大的光強呢？如果我們把地球上接收到的太陽總輻射同時聚焦在一根頭發(fā)絲粗細的尺度上，獲得的光強也只有1021瓦/平方厘米。
二、超高的能量密度
超強超短激光目前可以達到3×1010焦耳/立方厘米，這相當于是在1立方厘米的小體積內(nèi)爆炸20噸的TNT炸藥。
三、超強的光壓
光會產(chǎn)生壓力，這就是光壓，也叫輻射壓。還在科幻中的“太陽帆”就是以此為動力。太陽產(chǎn)生的光壓很小很小，但是超強超短激光產(chǎn)生的光壓接近大氣壓的1萬億倍。
它有哪些應(yīng)用？
超強超短激光產(chǎn)生的這些極端條件非常有用。其實，只要想一想就能明白，各國的粒子加速器，包括耗資巨大的、發(fā)現(xiàn)上帝粒子的歐洲大型強子對撞機，它們的目的都是為了制造出各種極端能量的粒子，迫使粒子加速并對碰，從而借此探索宇宙的奧秘。
而超強超短激光可以產(chǎn)生如此多的極端條件，那么其應(yīng)用當然也是非常廣泛的。
例如，超強超短激光能產(chǎn)生超強的電場，利用這個電場可以加速粒子，現(xiàn)在，用激光加速粒子的相關(guān)實驗，無論是國際上，還是我國的上海光機所等等，都在進行。如果實驗未來獲得突破，那么超強超短激光將會讓未來的各種直線加速器小型化，同時成本降低。
中科院上海光機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，只有當光子從樹葉上反射并進入我們的眼睛時，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，或者使用過以后后，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？當然得使用無損探測。
而超強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，檢測這些光子，我們也就間接地探測到了材料的內(nèi)部情況。利用正電子湮沒技術(shù)可以對材料內(nèi)部進行原子尺度的缺陷和損傷進行探測。
以上，只是超強超短激光的兩個應(yīng)用，未來，也許我們會發(fā)現(xiàn)，以上只是兩個小應(yīng)用而已。根據(jù)上海光機所所長李儒新研究員在“2015年國際光年報告會”上的介紹，2020年，在超強超短激光領(lǐng)域，可能實現(xiàn)以下夢想：產(chǎn)生納米尺度的光束并應(yīng)用于顯微和存儲；基于激光的超精密鐘用于測量宇宙基本常數(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），并以此探測電子的運動和化學(xué)反應(yīng)。
無疑，超強超短激光的應(yīng)用將會非常廣泛，正如美國學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上的一篇分析文章指出“這項工作將影響每一項研究，從聚變到天體物理。”
各國爭相發(fā)展
超強超短激光早就成了國際上的研究熱點和競爭重點。早在10年前，就有10個國家和地區(qū)的30個科研機構(gòu)聯(lián)合向歐盟提出“極端光設(shè)施計劃”，此項計劃預(yù)計耗資8.5億歐元，其目標是產(chǎn)生200拍瓦的超強超短激光。
正因為各大國都在爭相發(fā)展此項技術(shù)，所以，我們有充分的理由相信，未來，我們將陸續(xù)聽到它帶來的很多新應(yīng)用，甚至是某些領(lǐng)域的革命。超強超短激光，它已然走在造福人類社會的路上了……
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