宇宙是由一颗电子构成？激光脉冲可提供答案中国上海的科学家打破了世界记录

中国上海的科学家打破了世界记录，他们在一间逼仄的实验室中制造了世界上最为强烈的激光脉冲。科学家李儒新及其同事认为，他们研制的激光能够穿透浩瀚宇宙的真空。

这项工作由中科院上海光机所及上海科技大学超强激光光源联合实验室共同进行，已被纳入上海建设具有全球影响力的科创中心、打造世界级重大科技基础设施集群的首批重大项目。

超强超短激光被认为是人类已知的最亮光源，是国际激光科技的最新发展前沿和重点竞争领域，具有重大科技意义与应用价值。目前，世界多个国家投入巨资开展大型超强超短激光装置的研制，其中欧盟支持的项目计划将于2018年建成大型超强超短激光试验装置。

上海超强超短激光实验装置项目能够发出世界上最强的激光脉冲，但整个设备体积不太大，能够放在实验室的桌子上进行科学试验。整个试验装置的核心部分是一根掺杂蓝宝石的钛金属圆柱体，其宽度约和孩子们玩的飞盘差不多，这里的蓝宝石是用作增益介质。

上海超强超短激光实验装置项目能够产生如野兽般强烈的激光。2016年，物理学家通过这一装置产生了强度为5.3×10^15瓦特的激光脉冲，脉冲持续时间不超过10^12分之一秒。2016年年底，科学家将激光脉冲强度提高到了10×10^15瓦特。将全世界电网的电力全部集中到一起，然后再乘1000倍，才相当于这种强度的功率。在此基础之上，李儒新及其同事将计划建设超强激光站，这一装置将能够输出100×10^15瓦特的激光脉冲，这一功率强度已经达到了匪夷所思的地步。

科学家认为，超强激光站所产生的激光将能够用于产生极端的温度及压力条件，能够用于帮助模拟天体物理学试验场景，协助天体物理学家对宇宙进行研究。此外，这种超强激光还能够用于粒子加速，这一功能在制药及高能物理学研究中都非常有用。

研究人员介绍，它能在实验室内创造出前所未有的超强电磁场、超高能量密度和超快时间尺度综合性极端物理条件，在台式化加速器、超快化学、材料科学、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域具有重大应用价值。

例如，可用于研制台式化电子加速器和超快X射线源，对蛋白质中原子运动进行成像探测，揭示生命的奥秘；可用于研制基于小型化激光质子加速器的激光质子刀，进行癌症治疗；产生的阿秒脉冲还可以用于探测原子内电子的运动，推动材料科学与信息技术的进步；超强超短激光还可用于产生反物质，研究天体物理和宇宙起源，将来还可能用于真空结构和暗物质的探测。

理查德·费曼提出，所有的电子和正电子实际上是

唯一一个电子在时间中前行并回溯的结果

理论物理学家理查德·费曼在1949年发表的论文《正电子理论》中正式提出，所有的电子和正电子实际上是唯一一个电子在时间中前行并回溯的结果。其他科学家把这个想法扩展到正反物质对的产生与湮灭，认为真空中不断发生的正反物质对的创生与湮灭，实际上是粒子在时间这一维度上运动方向的改变。

量子力学中的海森堡不确定性原理推测，真空中存在着量子涨落，不断地有成对的正反粒子凭空创生，又在极短的时间内湮灭。单电子宇宙理论可对此类正反物质的创生与湮灭做出如下解释：

正负电子对（或正反物质对）的创生：从未来向过去行进的反物质改变在时间上的前进方向转为从过去向未来行进，在改变方向的那一时刻之前，无论正反物质都是不存在的，而在那一时刻之后，正反物质同时存在，因而在我们（从过去向未来前进的正物质）看来，这一对正反物质是凭空产生的。实际上，如果我们是从未来向过去前进的反物质，那么在我们看来这一对正反物质是相遇而湮灭的。

正负电子对（或正反物质对）的湮灭：与创生正好相反。我们的感觉是正反物质相遇而湮灭，实际上只是正物质在“湮灭”的那一时刻调转了时间的前进方向，从向未来前进改为向过去前进而已，因此在我们看来“湮灭”时刻之前同时有正反物质，“湮灭”之后什么也没有。

在宇宙大爆炸之初，无数的量子涨落产生了无数正负电子对，它们中的大多数都很快地又湮灭了，仅有极少数得以分开从而存在更长的时间，或许到宇宙的终结，或许到某个粒子加速器，或许到宇宙深处，它们真的是一个电子的无数旅程吗？在无数次的循环中旅行到宇宙末日无数次，在无限的循环中旅行到宇宙的每一片空间，宇宙中真的只有一个电子吗？

这就是单电子宇宙图景的终极疑问！

上海超强超短激光实验装置项目将能够在单电子宇宙图景科学研究方面发挥重要作用。

科学家还希望将这种激光用于撕裂宇宙的真空，科学家认为，这种激光拥有足够的能量，能够在宇宙真空中产生电子及正电子。超对称理论预言，两个中轻微子在碰撞时会湮灭，并代之以一个电子和一个电子的反粒子--正电子。爱因斯坦声称物质和能量是可以互相转化的，并创立了著名的质能守恒方程--E=mc2，这一方程就是上述研究计划的理论基础。科学家李儒新说，这项研究工作将极为令人兴奋。人类将通过这种强度的激光真正做到“无中生有”，意思就是，在宇宙真空中，在没有任何物质的情况下生成电子和正电子。

上海张江综合性国家科学中心超强超短激光实验装置

（SULF）研制工作近日取得重要进展，达到国际领先水平。

量子理论认为太空中的真空实际上并不是如表面一样空无一物。相反的是，电子及正电子在量子力学不确定性理论的作用下，以极短的时间尺度不停地闪烁着、产生着、消亡着。在正电子湮没事件中，当正电子与电子交互作用时，它们会相互湮没并释放出能量。这一现象的发生速度极快，以至于人类无法观测到。

但是，科学家认为，上海超强超短激光实验装置产生的激光强度极大，产生的磁场强度极高，能够破坏正电子与电子之间的相互作用，使正电子与电子发生摆动并释放出伽马射线。正电子与电子发生相互作用而湮灭，产生两个伽玛射线光子，伽玛射线光子又会产生另一个电子及正电子对，新产生的电子及正电子在作用湮灭时会再次产生伽玛射线。

这一连锁反应会持续进行，最终将释放出数量足于被观察到的辐射，科学家通过观测辐射情况，来证实激光在实验过程中确实撕裂了宇宙的真空。这一试验工作将能够帮助验证量子电动力学的预言和理论。

电子及正电子在量子力学不确定性理论的作用下，

以极短的时间尺度不停地闪烁着、产生着、消亡着

中国上海的科学家正在努力建立更加先进的高能激光实验装置，同时，其他地区的科学家也正在开展着竞争性的研究计划。欧洲的科学家计划在数年之内完成欧洲极端光基础设施的研发建设工作，该设施的功率也将高达10×10^15瓦特。

欧洲捷克共和国的欧洲极端光基础设施

欧洲极端光基础设施是一项受到欧盟委员会资助的新研究基础设施，指导委员会于2009年10月1日在布拉格召开会议，正式授权捷克、匈牙利和罗马尼亚进行建设，来自13个国家的40个实验室参与了欧洲极端光基础设施研发建设工作。2013年4月11日，按照比利时法律成立了一个名为欧洲极端光基础设施交付共同体国际协会的国际非营利组织，由该组织具体负责欧洲极端光基础设施的可持续发展，支持欧洲极端光基础设施的协调实施，保持其科学使命的一致性和互补性。欧洲极端光基础设最终将分布在四个地点，其中三个目前正在实施过程中。建成之后，它将成为世界上最大和最先进的光束线和激光研究的国际用户设施。国际科学用户群体可以利用欧洲极端光基础设施，进行新的跨学科科学研究。

俄罗斯的极端光学研究艾瓦中心正在研制功率为180×10^15瓦特的超强激光，日本的研究人员也已经提出了功率为30×10^15瓦特的超强激光研究计划。目前尚不清楚，谁将在这场科研比赛中获得第一名，但是，人类将从这些科学家研制的高能激光中获得很多令人激动的物理学、天文学、宇宙学的知识。

来源：http://www.forbes.com

译者：朱川

责编：钟天意

关注“漫步宇宙”

了解中国领先的太空资讯站