中國產生反物質的超強超短激光，有多強？

知識 06-13

近日，「中科院上海光機所利用超強超短激光成功產生反物質」這則新聞廣為傳播。這是國內首次報道利用激光產生反物質。不過，很多網友在被「反物質」一詞吸引的同時，卻忽略了背後另一個更重大且更有意義的成就——中國在「超強超短激光」上的一些突破。

什麼是超強超短激光？

不少人第一眼看到「超強超短」會對其發生誤解。超強很好理解，而超短，不少人容易把其理解為「距離上的長短」，但實際上，這裡的「短」是時間上的長短。

大功率激光是各國夢寐以求的，因為，它能幹的事實在是太多，比如軍事愛好者們所熟知的激光武器，還有製造人工可控核聚變所需條件等等。

中國產生反物質的超強超短激光，有多強？圖2 耗資數十億美元的美國「國家點火裝置」中使用的燃料球，他們使用192門激光在十億分之一秒的時間內同時發射並擊中鉛筆頭大小的燃料球，從而引發核聚變。

然而，大功率激光並非那麼容易產生，並不是說給一個激光設備提供的能量越大，激光的功率就會越大。顯然，單純地提供大能量以進一步提高激光的功率現在已經變得很難，造價也越發昂貴。

怎麼辦？

我們知道：功率=功/時間=w/t

既然在「功」上突破已經很昂貴且很難，那麼，我們就從「時間」上來突破。

顯而易見，相同的功，做功時間越短，功率就會越大。當時間趨於無窮小時，功率就會趨於無窮大。

1瓦特（功率）=1焦耳/1秒。

對於1焦耳的能量來說，如果我們把激光的脈衝時間從1秒縮短到0.1秒，那麼我們就得到了10瓦的功率。

如果從1秒縮短0.001秒，我們就得到了1000瓦的功率。

同理，如果縮小到1皮秒呢？那麼我們就得到了1,000,000,000,000瓦的功率（1萬億瓦）。

對於普通大眾來說，1萬億瓦的功率其實已經大到了不可思議。然而，我國造出的超短激光脈衝，在時間尺度上是飛秒級別，其功率比上面的1萬億瓦還要多3個0，達到了1000萬億瓦的級別。

相信，研究激光的業內人士每天說「飛秒」、「阿秒」的次數絕對比很多人每天說「秒」的次數還要多，為此，我們先用一張表格來溫故一下時間的量級：

中國產生反物質的超強超短激光，有多強？圖3

我國造出的激光脈衝，在時間上短到飛秒級別，對應的激光也稱為「飛秒激光」。1000萬億瓦等於1拍瓦（PW,105W），中科院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）的激光設備，其功率達到了5拍瓦。

它能產生很多極端條件

超強超短激光功率如此的大，以至於，它能產生很多極端條件，而這些條件只有在恆星內部或是黑洞邊緣才能產生。

一、超強的光強

目前，超強超短激光所能獲得的最高光強為1022瓦/平方厘米。這是一個多大的光強呢？如果我們把地球上接收到的太陽總輻射同時聚焦在一根頭髮絲粗細的尺度上，獲得的光強也只有1021瓦/平方厘米。

二、超高的能量密度

超強超短激光目前可以達到 3×1010 焦耳/立方厘米，這相當於是在1立方厘米的小體積內爆炸20噸的TNT炸藥。

三、超強的光壓

光會產生壓力，這就是光壓，也叫輻射壓。還在科幻中的「太陽帆」就是以此為動力。太陽產生的光壓很小很小，但是超強超短激光產生的光壓接近大氣壓的1萬億倍。

中國產生反物質的超強超短激光，有多強？圖4 科幻設想中的太陽帆

它有哪些應用？

超強超短激光產生的這些極端條件非常有用。其實，只要想一想就能明白，各國的粒子加速器，包括耗資巨大的、發現上帝粒子的歐洲大型強子對撞機，它們的目的都是為了製造出各種極端能量的粒子，迫使粒子加速並對碰，從而藉此探索宇宙的奧秘。

中國產生反物質的超強超短激光，有多強？圖5 歐洲大型強子對撞機。

而超強超短激光可以產生如此多的極端條件，那麼其應用當然也是非常廣泛的。

例如，超強超短激光能產生超強的電場，利用這個電場可以加速粒子，現在，用激光加速粒子的相關實驗，無論是國際上，還是我國的上海光機所等等，都在進行。如果實驗未來獲得突破，那麼超強超短激光將會讓未來的各種直線加速器小型化，同時成本降低。

中科院上海光機所此次還製造出了反物質，也就是正電子，它有什麼用？

眾所周知，只有當光子從樹葉上反射並進入我們的眼睛時，我們才能看到那片樹葉。而很多航空航天所需要的重要材料，其被生產出來，或者使用過以後後，我們很想了解其內部的微觀結構、缺陷狀態等信息，但又不能破壞材料本身，怎麼弄？當然得使用無損探測。

而超強超短激光可以在材料內部製造出反物質，也就是大量正電子，這些正電子與材料內部的電子發生湮滅，於是，電子的全部質量轉變成電磁輻射，並以伽馬光子射出，檢測這些光子，我們也就間接地探測到了材料的內部情況。利用正電子湮沒技術可以對材料內部進行原子尺度的缺陷和損傷進行探測。

中國產生反物質的超強超短激光，有多強？圖6 超強超短激光產生正電子示意圖

以上，只是超強超短激光的兩個應用，未來，也許我們會發現，以上只是兩個小應用而已。根據上海光機所所長李儒新研究員在「2015年國際光年報告會」上的介紹，2020年，在超強超短激光領域，可能實現以下夢想：產生納米尺度的光束並應用於顯微和存儲；基於激光的超精密鍾用於測量宇宙基本常數；激光聚變獲得較大突破，人類獲取清潔可持續能源邁出很大的一步；從飛秒激光發展到阿秒激光（阿秒脈衝），並以此探測電子的運動和化學反應。

無疑，超強超短激光的應用將會非常廣泛，正如美國學術雜誌《科學》上的一篇分析文章指出「這項工作將影響每一項研究，從聚變到天體物理。」

各國爭相發展

超強超短激光早就成了國際上的研究熱點和競爭重點。早在10年前，就有10個國家和地區的30個科研機構聯合向歐盟提出「極端光設施計劃」，此項計劃預計耗資8.5億歐元，其目標是產生200拍瓦的超強超短激光。

中國產生反物質的超強超短激光，有多強？圖7 還在施工中的極端光設施計劃