超快超强的激光将彻底改变物理学

来源:百家号-量子认知    关键词:超强激光, 物理学,    发布时间:2020-03-20

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在今天的《科学美国人》(Scientific American)杂志上,刚登载了一篇著名美籍华人科学家的专稿文章,标题为:“超快、超强的激光将彻底地改变物理学”。

在介绍这篇文章前,我们先简介文章作者、华人科学家。她名为塔米·马(Tammy Ma),自小随没机会读完高中的父母从加拿大移民到美国。2005年获得加州理工学院的航空工程学士学位,2008年获得硕士学位和博士学位。以后在美国能源部所属的国家研究机构——劳伦斯·利弗莫尔国家实验室完成博士后研究,并成为一名实验物理学家。最近获得总统科学与工程学早期职业奖,这是美国政府授予年青科学与工程专业人士最高荣誉,获得过美国物理学会Thomas H. Stix奖,以表彰在等离子体物理研究方面的杰出早期职业贡献。受邀作为嘉宾参加世界经济论坛。
她在文章中介绍:“不久前,我还在读研究生时,参加了我的第一个高强度激光等离子体实验。大约每隔一小时,高功率天庄国际登录将释放不到1万亿分之一秒长的能量,释放出1皮瓦的能量,这是整个美国电网提供的功率的100倍,聚焦到直径为直径的十分之一的点上,犹如一根人的头发,放在一个微小的金属箔靶上。”

强度如此之大,以至于我们将产生令人难以置信的高温和高密度的等离子体,用于研究所谓的高能密度物理学(英文:High-Energy-Density Physics,简称HEDP)。根据实验,目标样品的精确加热和压缩可能会产生微小的爆炸,从而复制超新星内部发生的事情。

或者,我们可以仔细选择目标材料和结构,以产生一种巨大的X射线或粒子通量,这种方式对于某天驱动比今天使用的更紧凑的粒子加速器非常理想。在某些情况下,通过巨大的光压对材料进行的极端压碎甚至通过完全重新排列原子和分子结构,导致了一种全新的物质状态,这是地球上从未有过的状态。

但是,尽管这些研究非常复杂,但实际上整个交互和“实验”都将在眨眼间结束,实际上,比眨眼快1000亿倍。在不到一秒钟的时间内,我们的中子、带电粒子、x射线和光学诊断程序套件,将捕获激光与小目标及其产生的等离子体的瞬时相互作用。然后,我们的研究人员将分散到目标区域以检索我们的数据,收集胶片并保存有时使用30多种仪器的图像。

然后,这将使我们能够推断出,我们在微型加速器中加速了多少个粒子,或者新材料是处于晶态还是非晶态,或者我们创造的超新星有多亮。在激光冷却所需的时间内,我们将重置设备,更换滤镜和胶片,装入新的目标,然后在一个小时后重复一次。实验室里的好日子是收集7到8个质量数据点。

那些都是2006年的事情。进到2020年,高能密度物理领域已得到发展。设施已经变得更加通用,可以将多个天庄国际登录或与X射线自由电子天庄国际登录(英文:X-ray Free Electron Lasers,XFEL)或脉冲功率机组合在一起的天庄国际登录。实验人员开发了许多新的测量技术,它们能够在超短时间和长度范围内实现更高的精度。目标变得更加复杂和先进;它们可能包含金属固体或泡沫,或包含气体的中空塑料的胡椒大小的珠子,旨在产生精确的能量和粒子特征。所有这些新技术都在高能密度物理方面取得了巨大进步,产生了与行星科学、天体物理学、材料物理学和聚变有关的新知识。

但是现在,我们正处于针对我们领域的彻底范式转变的风口浪尖。现在可以以超过10赫兹(每秒10次)的重复频率运行高强度短脉冲天庄国际登录,而不是每小时运行一次!激光架构的发展和先进的冷却方案使激光每秒可发射多次,而不会产生导致热变形的热量。

借助这种技术,高能密度实验本身可以以很高的重复率运行,从而通过巨大的乘法因子来增加所获取的数据量,可以探索的测量类型以及测量的数量级。统计数据的数量级提高(从而减少误差线并使我们的知识更精确)。等离子体是物质的第四种状态,是宇宙中最普遍存在的(普通而不是暗物质)形式。由于要考虑的等离子体相空间非常大,因此为该勘探提供更多的实验通量。

当然,要使这样的快速实验成为现实,不仅必须提高天庄国际登录的运行速度,所有其他子系统也必须相应地提高速度。这就是令人兴奋的地方;在计算能力、机器学习、认知模拟、增材制造和测量技术方面的最新进展意味着,现在是将所有这些结合在一起以比以前更快几百到几千倍地执行实验的时机。简而言之,可以加快学习速度,而且毫不夸张地说,这将对高能密度物理学产生变革。

从本质上讲,将这些技术整合在一起将创建一个知识工厂,一种高响应率的实验天庄国际登录,通过将最先进的硬件和从头开始的机器学习分析相结合,可以同时加速经验发现和计算机模型开发以及整个设施的端到端。

这实际上是什么样的?通过一系列反馈循环来概念化这样的工厂。在高重复率下,激光工厂可靠地执行了数百万次发射,并处于安全的工作状态,同时激光的能量,脉冲长度、焦点和其他参数不断自动地修改所产生的等离子体作为反馈回路一。代替研究生收集X射线胶片,数字化的数据在每次拍摄后立即进行分析和缩减,并反馈给目标和激光,以优化参数并修改下一个镜头的目标设计作为第二个循环。

增材制造的进步可以“按需”产生这些更复杂的目标作为循环三。增强的超级计算能力和新的机器学习技术带来了数据分析,预测和使用高保真模拟与实验进行比较的新方法作为循环4、5和6。这些协作技术使新的发现过程成为可能。

在高能密度科学中,目标是变得更热、更密、更好、更快,以实现天体物理学中新的等离子体现象状态并创建新的物质状态。就在过去的几年中,我们看到了高能密度取得的一些令人兴奋的结果:通过压缩已知的最难压缩的材料金刚石,并测量其晶体结构随压力的增加而变化,并将这些数据与行星演化模型进行比较,证明木星的核心是由纯钻石制成。

激光驱动惯性约束聚变取得了长足的进步。我们必须达到压力和限制时间的70%以内,以实现持续的热核燃烧,其中输出能量大于输入能量。等离子体正以全新的方式被操纵以充当无限通用的光学器件。想象一下,使用新的高重复率设备,每小时可以拍摄数千张照片,而不是现在每小时只可以拍几张照片,科学进步将有多快。确实,这将是一个富有成果的发现之地。

超快、超强激光将彻底改变物理学,它们将成为行星科学、天体物理学、材料物理学、聚变等领域的“发现工厂”的心脏。如上图所示,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的一个所谓的“Hohlraum”手持微小的器械,将用强力激光对其进行爆炸,以点燃核聚变。