導(dǎo)讀：2018年的諾貝爾物理獎(jiǎng)，想必大家還記憶猶新，獲獎(jiǎng)項(xiàng)目“啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification）”是一種可以增強(qiáng)我們當(dāng)今使用的最高功率的研究用激光器脈沖的一種技術(shù)。作為下一代激光裝置，將功率提升至至少10帕瓦（petawatts）。物理學(xué)家預(yù)測(cè)這將帶領(lǐng)我們的等離子體研究進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。等離子體的典型行為主要受黑洞和來(lái)自脈沖星的風(fēng)所影響。

等離子體中的量子電動(dòng)力學(xué) 現(xiàn)象，來(lái)自：Stephen Alvey/Alec Thomas

研究人員發(fā)表了一項(xiàng)評(píng)估狀況的研究：即新一代的高功率激光裝置正在準(zhǔn)備教導(dǎo)我們關(guān)于強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)（QED）過(guò)程的相對(duì)論等離子體的課題。此外，提出的新的研究方案將進(jìn)一步的探索這一新的現(xiàn)象。

隨等離子體密度變化的強(qiáng)場(chǎng)物理的不同區(qū)域以及要么隨強(qiáng)場(chǎng)要么隨激光強(qiáng)度變化

這一研究成果發(fā)表在期刊《Physics of Plasmas》上，該論文介紹了相對(duì)論等離子在超臨界場(chǎng)條件下的物理本質(zhì)，討論了該領(lǐng)域的當(dāng)前研究現(xiàn)狀并提出了未來(lái)發(fā)展的可能趨勢(shì)。同時(shí)還對(duì)一直困擾在人們心中且在今后幾年特別重要的沒有定論的問(wèn)題也給予了重點(diǎn)介紹。

強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)是在大型對(duì)撞機(jī)設(shè)施中還沒有被探索的粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型研究領(lǐng)域中的一個(gè)冷門，如坦福大學(xué)負(fù)責(zé)運(yùn)行管理的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC National AcceleratorLaboratory）或歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research），造成該研究成為冷門的原因是由于缺乏在加速設(shè)置時(shí)的強(qiáng)電磁場(chǎng)所造成。有了高功率激光，研究人員就可以使用強(qiáng)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行研究，這一現(xiàn)象在γ射線的發(fā)射和正負(fù)電子對(duì)形成的現(xiàn)象研究中已經(jīng)得到了觀察。

研究人員探索了基礎(chǔ)物理中可能導(dǎo)致相對(duì)論等離子物理潛在發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題并發(fā)展了高能離子、電子、正電子和光子源。這一發(fā)現(xiàn)成為發(fā)展許多現(xiàn)代掃描技術(shù)的關(guān)鍵，其范圍可以從材料科學(xué)研究到醫(yī)療發(fā)射治療、到下一代國(guó)土安全和工業(yè)所用的X光照相技術(shù)等。

各種相關(guān)的典型研究的結(jié)果

強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致顯著的新的等離子體物理現(xiàn)象，如致密電子正電子對(duì)等離子體在真空中的產(chǎn)生，由于強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)所造成的完全激光能量吸收過(guò)程，或者超相對(duì)論電子束的停止，這可以利用細(xì)微的激光束穿透1cm厚度的鉛等等。

這一等離子體物理的現(xiàn)象所帶來(lái)的新技術(shù)可以將極大的為我們帶來(lái)無(wú)限新的可能，尤其是在強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)等離子體本身是一種物理中的全新研究領(lǐng)域。在當(dāng)前的階段，即使有足夠的理論解釋也不足以解釋它所擁有的可能應(yīng)用。

圖 強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)研究的時(shí)間軸

圖解：該項(xiàng)研究分為三個(gè)過(guò)程，激光裝置用于中等激光能量強(qiáng)度的用來(lái)進(jìn)行強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)的研究；高能量密度的激光器用來(lái)進(jìn)行多光束裝置進(jìn)行集積等離子體效應(yīng)和強(qiáng)場(chǎng)量子過(guò)程之間的相互影響之間的研究；激光等離子體碰撞的裝置用來(lái)進(jìn)行SF強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)極限的研究

研究人員期望他們的論文能夠引起更多的研究人員對(duì)強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)等離子體的現(xiàn)存研究領(lǐng)域的關(guān)注。

Tips：

2018年，（10月2日）諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)焦?，由三位科學(xué)家共同分享，分別是美國(guó)科學(xué)家亞瑟·阿斯金 (Arthur Ashkin) 、法國(guó)科學(xué)家杰哈·莫羅 (Gérard Mourou) 和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭 (Donna Strickland)。三位科學(xué)家以在激光物理學(xué)領(lǐng)域的突破性發(fā)明(for groundbreaking inventions in the field of laser physics).

2018年的諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者肖像圖

阿金斯的貢獻(xiàn)為“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)的應(yīng)用”，莫羅和唐娜的貢獻(xiàn)為“產(chǎn)生高密度超短光學(xué)脈沖的方法”。1922 年出生于美國(guó)紐約布魯克林的阿什金教授被授予了一半的諾貝爾獎(jiǎng)金。這位“激光輻射壓力之父”的主要科學(xué)貢獻(xiàn)是在 1987 年前后發(fā)明了一種神奇的“光學(xué)鑷子”，即可以利用所謂的“激光手指”在不傷害生物體活性的前提下抓取其中的微小粒子，包括細(xì)菌、病毒和 DNA 等生物材料。這一技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于包括醫(yī)學(xué)在內(nèi)的生命科學(xué)領(lǐng)域。

208年諾貝俄日物理獎(jiǎng)-啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification）的原理圖

另外一半諾貝爾獎(jiǎng)金由穆魯教授和他的學(xué)生斯特里克蘭教授分享。穆魯于1944年出生在法國(guó)的阿爾貝維爾，而斯特里克蘭于1959年出生于加拿大的貴湖。他們二人后來(lái)在美國(guó)羅徹斯特大學(xué)成為師生，于1985年共同發(fā)明了啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA），該技術(shù)的神奇之處在于能夠?qū)⒍碳す饷}沖放大到極高的峰值功率，甚至達(dá)到萬(wàn)億瓦級(jí)。這一發(fā)明徹底改變了激光科學(xué)領(lǐng)域的面貌，也為核物理學(xué)、粒子物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的前沿研究提供了有力的工具。

穆魯教授和他的學(xué)生斯特里克蘭

憑借這一工作， 30 歲的斯特里克蘭于 1989 年獲得了博士學(xué)位，并一舉成為激光領(lǐng)域的青年領(lǐng)軍人物。而她與導(dǎo)師的合作如今得到諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的承認(rèn)，更是創(chuàng)造了一項(xiàng)歷史記錄：他們是迄今為止唯一由男導(dǎo)師與女學(xué)生分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的師生組合！盡管 1903 年大名鼎鼎的瑪麗·居里（Marie Curie）也與一定程度上具有導(dǎo)師名分的皮埃爾·居里（Pierre Curie）分享了一半的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（另一半由法國(guó)物理學(xué)家亨利·貝克勒爾（Henri Becquerel）獲得），但他們的主要人際關(guān)系其實(shí)是夫妻。

參考：科學(xué)網(wǎng)文章：2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：年齡與性別的雙重突破，

參考文獻(xiàn)：

1. P. Zhang, S. S. Bulanov, D. Seipt, A. V. Arefiev, A. G. R. Thomas. Relativistic plasma physics in supercritical fields. Physics of Plasmas, 2020; 27 (5): 050601 DOI: 10.1063/1.5144449