撕裂真空的激光？
根据
量子电动力学
（描述电磁场如何与物质相互作用的一个理论）
，真空并非如经典物理认为的那么空。如果我们能通过某种方式把充满在空间中的物质、各种辐射和引力波全都移除，仍能发现存在于空间的少量固有能量。现在，如果向真空发射一束足够强的激光，那么会不会像《科学》杂志刊登的一则故事中所描述的那样：击破真空，将空的空间撕裂呢？在《科学》杂志近日的一篇报道中提到，中国物理学家
（李儒新带领的团队）
今年将要开始建造名为“超强激光站”的100PW（100拍瓦=10^17瓦）
激光器。到了2023年，它将把脉冲“抛向”地底下20米深处的腔室，从而创造出通常在地球上无法达到的极端温度和压力。那么究竟要如何才能实现这项宏伟的目标呢？这将有助于物理学家探索怎样独特的现象呢？真空真的能够被撕裂吗？
要回答这些问题，我们从激光这一概念开始探讨。
○
位于上海的激光器，创下了最大功率纪录。最大强的激光并非上市那些能量最强的，而通常是具有最短激光脉冲的。| 图片来源：KAN ZHANG
尽管
激光
现在非常普遍，但这一概念本身来说仍是相对新颖的。激光的英文Laser是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”（受激辐射光放大）
的首字母缩写。但其实 Laser 这一名称并不准确，因为这个过程中并没有什么东西被放大了。我们知道在普通物质中，具有一个原子核和位于各种不同能级的电子；在分子、晶体和其他束缚结构中，电子能级之间的特定差决定了哪些跃迁是被允许的。在激光器中，电子在两个允许的状态间振荡，当它们从较高能态跃迁到较低能态时，就会释放出一个具有特定能量的光子。正是这些振荡产生了光，因此，将它称之为“Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation”（受激辐射光振荡）
似乎会更为贴切。
○
将电子“泵”入激发态，并利用特定波长的光子激发它们，就会导致释放出另一个具有完全相同能量和波长的光子。| 图片来源：Wikimedia Commons
如果能在相同的激发态
（excited state）
产生多个原子或分子，并能激发它们自发跃迁到基态（ground state）
，它们将释放出具有相同能量的光子。这些转换是极快的（但并非无限快）
，因此理论上我们会有一个能使单一原子或分子跃迁到激发态并自发地发射光子的速率上限。通常情况下，我们会在谐振或反射腔内使用某种气体、分子化合物或晶体来制造激光，但也可以使用自由电子、半导体、光纤，甚至正电子发射体（理论上）
来制造激光。
○
ALICE自由电子激光器，不依赖于传统的原子或分子的转换，但依然可以产生相干光。| 图片来源：2014 Science and Technology Facilities Counci
从激光器释放出的能量总量受输入量的限制，因此要让激光器获得超高功率的唯一方法是缩短发射激光脉冲的时间尺度。刚才提到的“PW”并不是指能量，而是指功率——即单位时间内的能量。一个PW激光可以是每秒发射10^15焦耳能量
（相当于约200千吨TNT释放的能量）
的激光器，或者是在飞秒内（10^-15秒）
能释放一焦耳能量（相当于60微克糖燃烧释放的能量）
的激光器。就能量而言，这两种情况是截然不同的，但是它们的功率却一样。目前，100PW激光还没能被建成，这是研究人员计划在2020年代取得的下一个巨大飞跃。这一项目被称为
超强激光站
（Station of Extreme Light）
，将在上海超强超短激光实验装置建造。通常来自不同波长光的外部加泵会激发激光材料原子内的电子，导致能制造出激光的特征转换产生。然后光子会在一个非常窄的一组波长中以紧密堆积的流或脉冲出现。令很多人吃惊的是，1PW的门槛在1996年就被突破了。但从1PW到10PW的超越，却耗费了将近20年的时间。（在研制100PW激光器的道路上，中国并非唯一，欧洲、日本
、俄罗斯
都有相关的计划。）如果我们想要在功率上有所突破，就需要在最短的时间内提供最大的能量。目前的记录保持者使用的是掺钛蓝宝石晶体，有着数百焦耳的能量被泵入其中，将光来回反射直到相消干涉抵消大部分脉冲长度，输出被压缩成一个只有几十飞秒长的单脉冲中。从而达到10PW的输出功率。
功率的下一个数量级大关的突破，可以通过两种方法实现：要么增加激光器里的输入能量——从几百焦耳增加到几千焦耳，要么缩短脉冲的持续时间。增强激光器能量的方法对目前所使用的激光材料来说会造成问题。小型的钛蓝宝石晶体无法承载如此巨大的能量，而大的钛蓝宝石晶体又容易导致光向与所需路径成直角的错误方向发射。因此，目前研究人员正在考虑的方法主要有三种：
在原来的10PW脉冲基础上，通过一个光栅将光扩展出来，然后用人造水晶将它们结合，在结合处再次加泵，提高它的功率。
将来自一系列不同的高功率激光器的多个脉冲结合，以创造正确的重叠水平：这对于只有几十飞秒长
（3-15微米）
，并以光速移动的脉冲来说是一个挑战。或者，增加第二轮脉冲压缩，将它们压缩到几飞秒之内。
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偏折光线并将它集中在一个点上是实现在空间中的单一位置的强度最大化的关键一步。| 图片来源：M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819–1824
之后，脉冲必须被集中在一个紧密的焦点之上，这样不仅提高功率，而且也提高了强度。如果100PW的脉冲可以被聚焦到一个直径只有3微米的斑点上，那么这个微小区域的强度将达到惊人的10^24
W/cm2
（
瓦/平方厘米
）——比太阳光直射地球的强度高出约25个数量级。
○
量子真空中的虚粒子。即使是在空的空间中，真空能量也不为零。| 图片来源：Derek Leinweber
这为科学家长期以来想要在真空中制造粒子-反粒子对的愿望开启了一扇门，但这并非“击破量子真空”。
根据量子电动力学，空间的
零点能
（指处于最低能量状态的空间）
并不为零，而是一个有限的正值。尽管我们同时把它视作为粒子和反粒子不断地出现和消失，但更好的描述是——在具有足够能量的情况下，我们能利用这些空的空间的电磁属性来产生真实的粒子-反粒子对。这是基于爱因斯坦的质能方程 E = mc2
做到的，但还需要足够强的电场才能够产生这些粒子，约10^16 V/m（伏特/米）
。光作为一种电磁波，同时具有电场和磁场，当激光强度为10^29 W/cm2
时将达到该临界阈值。
○
当强度达到10^29W/cm2的时候，就应该足以在量子真空中制造电子-正电子对。| 图片来源：Wikimedia Commons
但是，即使是科学文献中所描述的最“梦幻”的情况，强度也比阈值门槛小了十万倍，而当强度低于这个阈值时，粒子-反粒子对的产生能力也会受到指数级的抑制。其中的机制并不是简单的电子偶产生的反向过程
（指两个光子相互作用产生电子-正电子对，是电子与正电子湮灭产生两个光子的逆反应，这一现象于1997年被首次用实验验证）
。在激光装置中，单独的光子并没有足以产生新粒子的能量，而是它们在真空里的综合效应使得粒子-反粒子对能以特定的概率出现。但是，除非这一强度接近10^29 W/cm2这一临界值，否则这一概率基本为零。从空的空间中产生粒子的物质-反物质对的能力，将是对量子电动力学的一个重要检验，也将是展示激光威力和我们对它们的控制能力的强有力证明。从这个机制我们或许无法达到那个能产生粒子-反粒子对的关键阈值，但我们将要么接近，要么用某种其他机制来提高我们的产出。无论如何，量子真空永远不会被击破，而是会完全符合预期的那样：按照物理定律所述的那样与物质和能量作用。这或许并不直观，但它所蕴含的其实更强大：它是可预测的。而做出预测以及用实验来验证或证伪它们就是科学的全部。虽然我们可能离那种情况还很远，但是在功率和强度上的每一次飞跃都在更进一步的迈向激光物理学的这座“圣杯”。
撰文：Ethan Siegel
编译：小雨
参考链接：
http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/02/03/ask-ethan-can-a-laser-really-rip-apart-empty-space/#5435d260f4b0
http://www.sciencemag.org/news/2018/01/physicists-are-planning-build-lasers-so-powerful-they-could-rip-apart-empty-space
编辑：小面包
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