真空非空：地表最強激光衝擊能量極限，將讓虛粒子無處遁形

圖源：Alex Schlegel

若在遙遠縹緲的太空深處有這樣一個地方——它距離地球許多光年，同時與任何星雲、恆星和單原子都相距無限遠。那我們會嘗試用許多辭彙來描述它：虛無之地、真空或者宇宙的空白。但實際上，這片虛無的真空區域卻並非一片死寂，相反裡面充斥著活躍的粒子活動。而現在科學家正嘗試用激光觀測它們。

撰文丨Jon Cartwright

翻譯丨許楠

審校丨楊心舟 韓晶晶

根據量子理論，真空空間中充滿了虛粒子。它們不僅真實存在著，同時也保證了現實世界的正常運作。除非你有非常強大的探測工具，否則你幾乎無法檢測到它們。「通常，人們口中所說的真空，意味著這個空間什麼都沒有。」來自瑞士哥德堡查爾摩斯理工大學的Mattias Marklund 表示，「但利用激光就可以告訴你真空里藏著什麼。」

探尋虛粒子

要想知道虛粒子究竟是什麼樣子，研究者就需要將它們轉化成某種可探測到的事物，而實現這一過程就要用到激光。這正是物理學家們正在努力完成的事情，從幾個月前第一次開機到現在，一台位於羅馬尼亞的探測器不僅展示出了真空的真相，還有助於人類理解暗能量。

真空中充滿虛粒子聽起來比較難以理解，畢竟宇航員沒有真的在虛粒子海洋里遨遊，衛星的運轉也沒有被它們阻礙。虛粒子是不可觸摸的，那我們為什麼會知道它們的存在？這主要是得益於量子電動力學理論（QED）的出現，其是量子理論的分支，利用它可以預測光子、光粒子與電子是如何相互作用的。

上世紀30年代，物理學家建立了QED理論。當時，只有把粒子間相互靠近與遠離的所有方式都納入考慮，這種計算方式才有效。這其中也包括了違反物理學規律的粒子運作方式，而粒子一旦採取了這種方式進行運動，它就成為了非真實存在的粒子了。這便引出一個歷史問題：如何解釋數學上存在，但是現實中並不存在的事情呢？

過去隨QED誕生的還有一個很有吸引力的假說：如果電場足夠強，那麼真空就可以「被打破」，虛粒子也能被觀測到。虛粒子包括虛電子和虛正電子，二者會在接觸中湮滅從而無法被檢測到。但如果能製造出一個強大的電場，這兩部分就可以被分開，成為可以被探測到的、真正的粒子。

該情況需要的能量閾值被稱作Schwinger極限，它是以QED理論家、諾貝爾獲獎者Julian Schwinger的名字命名的。在該極限下，真空里不再是什麼都沒有，相反會檢測到許多虛粒子。「真空終於不「空」了。」捷克理論物理學家Sergei Bulanov說。

若要達到Schwinger極限，需要用超大數量的光子轟擊虛粒子，這樣才能獲得所需的能量。那麼這個能量值是多少呢？其相當於地球上所有發電廠提供能量的十億倍，並且還要將其輸入進一個還沒有原子大的空間里。這聽起來不太現實，除非我們可以緩慢積攢能量然後通過巨大光束一次性發射出去。

用激光來完成任務

在這種需求下，激光器就可以派上用場了。激光器內部會通過一系列連鎖反應製造出大量相同頻率的光子，當這些光子從窄束中發射出來時，其產生的能量能夠切割鋼鐵。但是早期的激光強度是有限的，科學家也一直在尋找一種材料，可以保證高強度的激光不會過度損壞激光器的內部結構。1985年，紐約羅徹斯特大學的物理學家Gérard Mourou和Donna Strickland發明了一种放大激光的技術。他們發現了一種可以先展寬激光脈衝，從而使脈衝減弱，然後再放大激光。這樣就可以避免其對激光器內部結構的灼燒損傷，這樣科學家就能夠提高增能過程中獲得的能量。Mourou和Strickland在2018年因開發出高強度激光系統獲得了諾貝爾物理學獎。

即便如此，Mourou還有個更大的目標，「激光的能量從前是十億瓦，現在是太瓦級（1萬億瓦），那麼拍瓦級（1000太瓦）也是能實現的，」他說，「所以我們就不禁會想，我們真的能打破真空嗎？」

2005年，Mourou開始構想一個可以產生Schwinger極限能量激光的巨型激光器。於是一項超強激光器計劃（Extreme Light Infrastructure Project, ELI）啟動了，不出幾年，就有來自13個歐洲國家的40個實驗室參與其中，這項計劃還得到了歐盟8.5億歐元的財政支持。如今這個項目有三個站點，其中，位於羅馬尼亞布加勒斯特附近的ELI原子核物理學實驗室擁有兩個拍瓦級的激光器，其在最高強度下工作時可以達到全球最強激光器的水準。目前，實驗室正在逐漸提高該激光器的強度並進行測試。

ELI實驗室擁有部分世界最強激光器。圖源：LLNL

激光不僅僅可以把虛粒子轉變成實粒子，這種轉變過程或許能夠讓我們更好地理解暗能量這個宇宙學中最大的謎題。科學界現在知道，有些東西正在讓宇宙膨脹的速度變得越來越快，但是它是什麼呢？有人懷疑這種現象發生的原因正是虛粒子所蘊藏的能量。

在最高強度下，ELI的激光器會比英國「雙子星」激光器強1000倍。圖源：CTK / Alamy Stock Photo

但現在就存在一個問題，如果我們把虛粒子的能量計算進來，宇宙的膨脹速度應該要比實際的更快。而我們只有真正探測到虛粒子時才有可能解答這個問題。

ELI可以幫助我們理解宇航員常在夜空看到的快速和耀眼的伽馬射線暴和無線電波。這些射線有時發出的能量比太陽年產能的數千倍還要多。沒有人知道為什麼會有這些能量爆發，我們只能推測或許是電子和正電子會激烈地交織旋轉並生成等離子體，這一過程拋出大量光子。而ELI發出的激光也可以製造電子-正電子的等離子體，這能讓我們更好地理解這些宇宙現象。

當然我們更期望ELI能讓我們發現在能量達到Schwinger極限時會發生什麼。在日常條件下，我們可以用理論非常精確地預測出包含電子和正電子的實驗結果。但是，只要超出Schwinger極限一點點，這個理論就行不通了。因為隨著能量增加，虛粒子的運動路徑會越來越難以預測，理論演算法就派不上用場了。「而實際發生了什麼卻變成了一個沒有解決的問題。」Bulanov說。

於是，科學家都熱切期待ELI的實驗項目能夠解決這個問題。但目前ELI中三台激光器還沒有一台設備能夠獨立達到Schwinger極限。哪怕第四台ELI激光器強度比現在任何一台激光器都高上十倍，與Schwinger極限的能量強度相比仍然弱了一萬倍。Michael Donovan是在位於奧斯汀的德州拍瓦級激光器研究中心（Texas Petawatt Laser）的主任，他說：「現存設備還沒有能達到Schwinger極限的。」

但是Schwinger極限的特性讓虛粒子不一定要達到閾值時才能被檢測到，也就是說在低強度激光的照射下，虛粒子或許就能夠開始向實粒子轉化。

電子雪崩

在2010年，Mourou與同事就發現在低能量實驗激光束周圍可以觀測到具現化的虛粒子旋轉，這一過程中它們會釋放出光子，然後轉化成電子-正電子對，而新生成的電子對又會互相接觸從而湮滅釋放出光子。如此反覆循環的過程，被稱作電子-正電子雪崩。

天體物理學家可以通過這一現象研究電子-正電子等離子體，但是電子雪崩會掩蓋掉虛粒子對的轉化過程，甚至會耗費激光的能量，激光能量就更難達到真正的Schwinger極限。Jonathan Wheller是一名合作研究者，他說「發現這一現象後，我們知道我們的確達不到極限。但我們又學到了一些其他的事情。」

科學家並沒有放棄對極限的追求。在Mourou的論文發表不久後，Bulanov和同事發現雪崩效應僅僅在圓偏振激光束下出現，這種情況下，電場會隨著激光束的前進螺旋形旋轉。他們計算出，如果改用線偏振激光束，電子和正電子就可隨激光束呈Z字形運動，這種情況下它們製造出的光子會大大減少，從而避免電子雪崩的發生。Bulanov說，「實際上，我們可以達到Schwinger極限。」

還有科學家也嘗試來達到Schwinger極限。為了克服ELI激光強度不夠高的缺陷，激光理論家也在嘗試各種方法加強激光能量。其中一個方案是讓兩束或更多束的激光束交叉，這樣交匯點的激光強度可以變為之前的兩倍或更多。這方法聽起來簡單，但是Wheeler和其他人確認為這個方案的實踐細節會非常複雜。

另一個更好的方案聽起來會有點奇異：使用一面近光速飛行的鏡子。如果激光束在這面鏡子上反射，那麼波長就會被壓縮使其聚集在一個更小的點上。這個點越小，光所含的能量就越強。Bulanov在2003年第一次提出了這個方案，不過這個方案中的鏡子並不是日常生活使用的鏡子，而且想要讓鏡子達到近光速飛行所需的能量也難以想像。但Bulanov說，這個鏡子可以用電子等離子體的光波來組成，它們也可以反射激光。

五年前，Bulanov發表了第一個模擬飛行鏡子原理的實驗研究結果。他現在負責ELI的High Field行動，這個項目正在尋找使激光強度最大化的方法。「我敢完全肯定這個想法是行得通的，」Bulanov說。同時，Wheeler和Mourou也在尋找打破Schwinger極限的方法。Mourou說，「我們會找到的。」

現在，有些人已經找到了其他提高激光強度的方法，並且也看到了一些特殊的現象。在2018年2月，由Stuart Mangles領導的國際團隊在倫敦皇家學院（Imperial College London）用英國中央激光設備中的Gemini激光器向迎面的電子束髮射了一束激光。二者的碰撞放大了能量。這就像是兩輛車迎面相撞，會發生大爆炸（而一輛車撞到牆上卻不會有這樣的結果）。

英國Gemini激光器

製造更強的激光

研究團隊發現這一過程中電子釋放出了光子，並在過程中出現了電子反衝現象（電子獲得巨大能量，被光子散射）。要達到這種現象，電子需要以一種極其複雜的方式吸收大量的光子，這能夠讓其到達QED理論描述的能量界限。Mangles說，「從物理學角度看，我們已經在通往Schwinger極限的路上了。」

同時，其他可以與ELI媲美的激光裝置也正在研發中，包括俄羅斯的艾瓦級超強激光研究中心（Exawatt Center for Extreme Light Studies），上海的超強激光站（Station of Extreme Light）。David Reis是加州斯坦福大學的激光物理學家，他說上海新的激光裝置會建造在另一台大型激光器旁邊，或許這可以讓兩束激光束碰撞在一起。他說，「那場面會非常震憾。」

激光物理學的未來很有前景。Mourou希望可以他和Strickland的諾貝爾獎可以讓科學界不斷突破激光強度。Wheeler回憶起，他在最近的一次會議中聽到了有關超越Schwinger極限的預言，「Mourou說，這一事件五年之內就會出現，儘管聽起來讓人緊張但我笑了，」他說，「接下來的幾年應是非常激動人心的。」

https://www.newscientist.com/article/mg24132140-300-whats-inside-nothing-this-laser-will-rip-it-up-to-find-out/

斯蒂芬·霍金生前最後著作

《十問：霍金沉思錄》

3月14日首發

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