超快激光將徹底改變物理學

在今天的《科學美國人》（Scientific American）雜志上，剛登載了一篇著名美籍華人科學家的專稿文章，標題為：“超快、超強的激光將徹底地改變物理學”。

在介紹這篇文章前，我們先簡介文章作者、華人科學家。她名為塔米·馬（Tammy Ma），自小隨沒機會讀完高中的父母從加拿大移民到美國。2005年獲得加州理工學院的航空工程學士學位，2008年獲得碩士學位和博士學位。以后在美國能源部所屬的國家研究機構(gòu)——勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室完成博士后研究，并成為一名實驗物理學家。最近獲得總統(tǒng)科學與工程學早期職業(yè)獎，這是美國政府授予年青科學與工程專業(yè)人士最高榮譽，獲得過美國物理學會Thomas H. Stix獎，以表彰在等離子體物理研究方面的杰出早期職業(yè)貢獻。受邀作為嘉賓參加世界經(jīng)濟論壇。
她在文章中介紹：“不久前，我還在讀研究生時，參加了我的第一個高強度激光等離子體實驗。大約每隔一小時，高功率激光器將釋放不到1萬億分之一秒長的能量，釋放出1皮瓦的能量，這是整個美國電網(wǎng)提供的功率的100倍，聚焦到直徑為直徑的十分之一的點上，猶如一根人的頭發(fā)，放在一個微小的金屬箔靶上?！?/p>

強度如此之大，以至于我們將產(chǎn)生令人難以置信的高溫和高密度的等離子體，用于研究所謂的高能密度物理學（英文：High-Energy-Density Physics，簡稱HEDP）。根據(jù)實驗，目標樣品的精確加熱和壓縮可能會產(chǎn)生微小的爆炸，從而復制超新星內(nèi)部發(fā)生的事情。

或者，我們可以仔細選擇目標材料和結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生一種巨大的X射線或粒子通量，這種方式對于某天驅(qū)動比今天使用的更緊湊的粒子加速器非常理想。在某些情況下，通過巨大的光壓對材料進行的極端壓碎甚至通過完全重新排列原子和分子結(jié)構(gòu)，導致了一種全新的物質(zhì)狀態(tài)，這是地球上從未有過的狀態(tài)。

但是，盡管這些研究非常復雜，但實際上整個交互和“實驗”都將在眨眼間結(jié)束，實際上，比眨眼快1000億倍。在不到一秒鐘的時間內(nèi)，我們的中子、帶電粒子、x射線和光學診斷程序套件，將捕獲激光與小目標及其產(chǎn)生的等離子體的瞬時相互作用。然后，我們的研究人員將分散到目標區(qū)域以檢索我們的數(shù)據(jù)，收集膠片并保存有時使用30多種儀器的圖像。

然后，這將使我們能夠推斷出，我們在微型加速器中加速了多少個粒子，或者新材料是處于晶態(tài)還是非晶態(tài)，或者我們創(chuàng)造的超新星有多亮。在激光冷卻所需的時間內(nèi)，我們將重置設(shè)備，更換濾鏡和膠片，裝入新的目標，然后在一個小時后重復一次。實驗室里的好日子是收集7到8個質(zhì)量數(shù)據(jù)點。

那些都是2006年的事情。進到2020年，高能密度物理領(lǐng)域已得到發(fā)展。設(shè)施已經(jīng)變得更加通用，可以將多個激光器或與X射線自由電子激光器（英文：X-ray Free Electron Lasers，XFEL）或脈沖功率機組合在一起的激光器。實驗人員開發(fā)了許多新的測量技術(shù)，它們能夠在超短時間和長度范圍內(nèi)實現(xiàn)更高的精度。目標變得更加復雜和先進；它們可能包含金屬固體或泡沫，或包含氣體的中空塑料的胡椒大小的珠子，旨在產(chǎn)生精確的能量和粒子特征。所有這些新技術(shù)都在高能密度物理方面取得了巨大進步，產(chǎn)生了與行星科學、天體物理學、材料物理學和聚變有關(guān)的新知識。

但是現(xiàn)在，我們正處于針對我們領(lǐng)域的徹底范式轉(zhuǎn)變的風口浪尖?，F(xiàn)在可以以超過10赫茲（每秒10次）的重復頻率運行高強度短脈沖激光器，而不是每小時運行一次！激光架構(gòu)的發(fā)展和先進的冷卻方案使激光每秒可發(fā)射多次，而不會產(chǎn)生導致熱變形的熱量。

借助這種技術(shù)，高能密度實驗本身可以以很高的重復率運行，從而通過巨大的乘法因子來增加所獲取的數(shù)據(jù)量，可以探索的測量類型以及測量的數(shù)量級。統(tǒng)計數(shù)據(jù)的數(shù)量級提高（從而減少誤差線并使我們的知識更精確）。等離子體是物質(zhì)的第四種狀態(tài)，是宇宙中最普遍存在的（普通而不是暗物質(zhì)）形式。由于要考慮的等離子體相空間非常大，因此為該勘探提供更多的實驗通量。

當然，要使這樣的快速實驗成為現(xiàn)實，不僅必須提高激光器的運行速度，所有其他子系統(tǒng)也必須相應(yīng)地提高速度。這就是令人興奮的地方；在計算能力、機器學習、認知模擬、增材制造和測量技術(shù)方面的最新進展意味著，現(xiàn)在是將所有這些結(jié)合在一起以比以前更快幾百到幾千倍地執(zhí)行實驗的時機。簡而言之，可以加快學習速度，而且毫不夸張地說，這將對高能密度物理學產(chǎn)生變革。

從本質(zhì)上講，將這些技術(shù)整合在一起將創(chuàng)建一個知識工廠，一種高響應(yīng)率的實驗激光器，通過將最先進的硬件和從頭開始的機器學習分析相結(jié)合，可以同時加速經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)和計算機模型開發(fā)以及整個設(shè)施的端到端。

這實際上是什么樣的？通過一系列反饋循環(huán)來概念化這樣的工廠。在高重復率下，激光工廠可靠地執(zhí)行了數(shù)百萬次發(fā)射，并處于安全的工作狀態(tài)，同時激光的能量，脈沖長度、焦點和其他參數(shù)不斷自動地修改所產(chǎn)生的等離子體作為反饋回路一。代替研究生收集X射線膠片，數(shù)字化的數(shù)據(jù)在每次拍攝后立即進行分析和縮減，并反饋給目標和激光，以優(yōu)化參數(shù)并修改下一個鏡頭的目標設(shè)計作為第二個循環(huán)。

增材制造的進步可以“按需”產(chǎn)生這些更復雜的目標作為循環(huán)三。增強的超級計算能力和新的機器學習技術(shù)帶來了數(shù)據(jù)分析，預測和使用高保真模擬與實驗進行比較的新方法作為循環(huán)4、5和6。這些協(xié)作技術(shù)使新的發(fā)現(xiàn)過程成為可能。

在高能密度科學中，目標是變得更熱、更密、更好、更快，以實現(xiàn)天體物理學中新的等離子體現(xiàn)象狀態(tài)并創(chuàng)建新的物質(zhì)狀態(tài)。就在過去的幾年中，我們看到了高能密度取得的一些令人興奮的結(jié)果：通過壓縮已知的最難壓縮的材料金剛石，并測量其晶體結(jié)構(gòu)隨壓力的增加而變化，并將這些數(shù)據(jù)與行星演化模型進行比較，證明木星的核心是由純鉆石制成。

激光驅(qū)動慣性約束聚變?nèi)〉昧碎L足的進步。我們必須達到壓力和限制時間的70％以內(nèi)，以實現(xiàn)持續(xù)的熱核燃燒，其中輸出能量大于輸入能量。等離子體正以全新的方式被操縱以充當無限通用的光學器件。想象一下，使用新的高重復率設(shè)備，每小時可以拍攝數(shù)千張照片，而不是現(xiàn)在每小時只可以拍幾張照片，科學進步將有多快。確實，這將是一個富有成果的發(fā)現(xiàn)之地。

超快、超強激光將徹底改變物理學，它們將成為行星科學、天體物理學、材料物理學、聚變等領(lǐng)域的“發(fā)現(xiàn)工廠”的心臟。如上圖所示，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的一個所謂的“Hohlraum”手持微小的器械，將用強力激光對其進行爆炸，以點燃核聚變。