最近，科學(xué)家成功將激光聚焦到十億倍太陽表面光強(qiáng)的強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)其與高能電子的精密對撞，驗證了電動力學(xué)近百年從未被驗證的關(guān)鍵理論：高階多光子湯姆遜散射理論。該結(jié)果將為停留在理論階段的量子電動力學(xué)理論體系打開實(shí)驗的大門。實(shí)驗過程中產(chǎn)生了極高能的定向伽馬射線，可用于產(chǎn)生高能高亮光源；該過程還有望在實(shí)驗室產(chǎn)生阿秒量級的伽馬暴，開啟阿秒尺度核物理、實(shí)驗室高能天體物理等全新的研究領(lǐng)域。
在美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校極端強(qiáng)光實(shí)驗室，科學(xué)家正在進(jìn)行世界上最強(qiáng)的激光與高能電子的散射實(shí)驗。（圖片來源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）
6月26日，美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校與上海交通大學(xué)合作在《自然·光子學(xué)》上發(fā)表的一篇研究型論文稱，通過將超強(qiáng)超快激光聚焦，科研人員得到了峰值強(qiáng)度比太陽表面強(qiáng)度高出十億倍的極強(qiáng)光場環(huán)境。他們發(fā)現(xiàn)，在如此之強(qiáng)的激光下，近光速運(yùn)動的電子有可能一次性將上千個光子“同時”吸收，然后“合并”成一個高能光子發(fā)射，科學(xué)上稱之為“高階多光子湯姆遜散射”。該理論是經(jīng)典電動力學(xué)的著名理論之一，早在十九世紀(jì)初就被提出，但是由于實(shí)驗條件的限制，直到最近超快超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展才讓該理論的實(shí)驗驗證成為可能。雖然《自然·光子學(xué)》報道的最新實(shí)驗的激光強(qiáng)度已經(jīng)很高，但如果激光強(qiáng)度繼續(xù)增加，經(jīng)典的電動力學(xué)理論將不再適用，取而代之的是量子電動力學(xué)。該理論顯示在激光強(qiáng)到千萬億倍太陽光強(qiáng)的時候，激光會在絕對真空當(dāng)中產(chǎn)生正負(fù)電子對，也就是實(shí)現(xiàn)愛因斯坦的終極理論質(zhì)能轉(zhuǎn)化E=mc2。該實(shí)驗結(jié)果就是經(jīng)典電動力學(xué)理論向量子電動力學(xué)理論發(fā)展中的重要實(shí)驗驗證。
該實(shí)驗在美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的極端強(qiáng)光實(shí)驗室迪奧克萊斯（Extreme Light Labortaory, Diocles laser）激光裝置上實(shí)現(xiàn)。該激光裝置是目前世界上最先進(jìn)的超強(qiáng)超快激光裝置之一，設(shè)計脈沖寬度為27飛秒（相當(dāng)于光速穿過頭發(fā)絲直徑的十分之一時間），峰值功率達(dá)到一拍瓦（一拍瓦合1萬億千瓦。作為對比，我國2016年平均每月全國總用電量約為4千億千瓦時）。
該實(shí)驗具有極高的挑戰(zhàn)性，對時空精度要求極度苛刻。為了實(shí)現(xiàn)電子與光子的對撞散射，首先要將迪奧克萊斯激光分成兩束，其中一束激光脈沖用來產(chǎn)生相對論速度運(yùn)動的高能電子，也就是激光尾波電子加速。該過程中，如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光加速本身就是一項極具挑戰(zhàn)性的課題，近幾年國際上各大強(qiáng)光實(shí)驗室均開展了相關(guān)的研究。產(chǎn)生微米（頭發(fā)絲直徑的八十分之一）大小高能電子束的同時，要將另一束激光精密聚焦到與電子束同樣大小，并在微米空間、飛秒時間尺度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電子束與激光束的精確對頭碰撞。由于電子和光子都以光速運(yùn)動，因此如何在實(shí)驗上實(shí)現(xiàn)如此精密對撞，是該領(lǐng)域一直存在的挑戰(zhàn)。盡管目前世界上已有幾十臺拍瓦量級的超強(qiáng)激光，但在如此超高強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)如此精密的實(shí)驗，尚屬首次。研究人員通過在上海交通大學(xué)高性能計算中心的超級計算機(jī)π上的數(shù)值模擬，將該實(shí)驗結(jié)果在計算機(jī)模擬中得到了很好的再現(xiàn)。
該項目負(fù)責(zé)人內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校Leland and Dorothy Olson講席教授Donald Umstadter
左圖：論文第一作者閆文超博士；右圖：上海交通大學(xué)特別研究員陳民（右）、博士生羅輯（左）
多光子湯姆遜散射具有非常高的應(yīng)用價值。該論文的第一作者，前中科院物理所光物理實(shí)驗室博士畢業(yè)生，現(xiàn)美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)博士后，該項目的實(shí)驗負(fù)責(zé)人閆文超博士表示：“我們的這項技術(shù)可以用來產(chǎn)生極高亮度的X-伽馬射線光源，亮度可以與第三代同步輻射光源相比擬，但是裝置體積卻只有幾十甚至上百分之一，有望在未來補(bǔ)充同步輻射光源，為醫(yī)療成像、材料研究、生物大分子研究，三維度量學(xué)提供更為廉價的光源，解決現(xiàn)有同步輻射光源數(shù)量少、排期難、費(fèi)用高的問題。同時，高能伽馬射線可以穿透極厚的鋼板，有望對海關(guān)檢驗毒品武器走私等給予極大的幫助。由于我們的裝置可以做到很小，未來有可能集成到小型集裝箱貨車中，進(jìn)一步增加輻射光源使用的靈活性。”
車載多光子湯姆遜散射伽馬射線光源有望使用于海關(guān)檢驗等環(huán)境。（圖片來源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）
利用超強(qiáng)激光與電子相互作用產(chǎn)生的伽馬射線, 科學(xué)家成功拍攝Wi-Fi接受器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常的x射線并不能夠穿透金屬進(jìn)行如此清晰高分辨的成像。（圖片來源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）
多光子湯姆遜散射的整個物理過程也具有極高的基礎(chǔ)科學(xué)研究價值。由于此物理過程中，多個光子參與一個相互作用事件，與此前單光子湯姆遜散射呈現(xiàn)出了完全不同的定標(biāo)規(guī)律。本論文的通訊作者、極端強(qiáng)光實(shí)驗室主任，Donald Umstadter教授說：“在超強(qiáng)對撞激光條件下，電子會進(jìn)行極端非線性運(yùn)動，同時光子密度很高，因此單電子會與幾百個光子相互作用，這些光子被同時相干耦合在一起，形成一個超高能的光子。實(shí)際上，理論顯示我們實(shí)驗中可能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1300個光子的同時被散射。多光子湯姆遜散射理論已經(jīng)存在幾十年之久，但從未被實(shí)驗徹底驗證，這是實(shí)驗室首次實(shí)現(xiàn)如此多光子共同參與的湯姆遜散射，并完整地驗證了該理論，對電動力學(xué)的發(fā)展意義重大。”另外，超強(qiáng)激光在聚焦處的峰值強(qiáng)度都是在低能激光脈沖條件下進(jìn)行各種參數(shù)測量后估算的，目前沒有任何的直接測量方式。由于本實(shí)驗中的相互作用過程產(chǎn)生的伽馬射線具有獨(dú)特的空間分布，并且該分布與對撞激光的強(qiáng)度直接相關(guān)，因此根據(jù)該實(shí)驗過程中產(chǎn)生的伽馬射線的性質(zhì)可以精確地標(biāo)定超強(qiáng)激光的峰值強(qiáng)度，這也是目前唯一直接測量超強(qiáng)激光峰值強(qiáng)度的方法。
激光強(qiáng)度的變化引起電子運(yùn)動軌跡發(fā)生變化，輻射的伽馬射線空間分布發(fā)生變化。在激光最強(qiáng)的時候，超過500個光子同時被單個電子散射。（圖片來源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）
研究人員表示，未來將進(jìn)一步升級激光，對多光子散射理論進(jìn)行更深入的研究，并展開初步的量子電動力學(xué)的研究。此外還將優(yōu)化伽馬射線光源的品質(zhì)，希望盡快實(shí)現(xiàn)其廣泛的應(yīng)用價值。
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