根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)（描述電磁場(chǎng)如何與物質(zhì)相互作用的一個(gè)理論）,，真空并非如經(jīng)典物理認(rèn)為的那么空,。如果我們能通過(guò)某種方式把充滿(mǎn)在空間中的物質(zhì),、各種輻射和引力波全都移除，仍能發(fā)現(xiàn)存在于空間的少量固有能量?，F(xiàn)在,，如果向真空發(fā)射一束足夠強(qiáng)的激光，那么會(huì)不會(huì)像《科學(xué)》雜志刊登的一則故事中所描述的那樣：擊破真空,，將空的空間撕裂呢,？

在《科學(xué)》雜志近日的一篇報(bào)道中提到，中國(guó)物理學(xué)家（李儒新帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)）今年將要開(kāi)始建造名為“超強(qiáng)激光站”的100PW（100拍瓦=10^17瓦）激光器,。到了2023年,，它將把脈沖“拋向”地底下20米深處的腔室，從而創(chuàng)造出通常在地球上無(wú)法達(dá)到的極端溫度和壓力,。

那么究竟要如何才能實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)宏偉的目標(biāo)呢,？這將有助于物理學(xué)家探索怎樣獨(dú)特的現(xiàn)象呢？真空真的能夠被撕裂嗎,？

要回答這些問(wèn)題,，我們從激光這一概念開(kāi)始探討。

○ 位于上海的激光器,，創(chuàng)下了最大功率紀(jì)錄,。最大強(qiáng)的激光并非上市那些能量最強(qiáng)的，而通常是具有最短激光脈沖的,。| 圖片來(lái)源：KAN ZHANG

盡管激光現(xiàn)在非常普遍,，但這一概念本身來(lái)說(shuō)仍是相對(duì)新穎的。激光的英文Laser是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”（受激輻射光放大）的首字母縮寫(xiě),。但其實(shí) Laser 這一名稱(chēng)并不準(zhǔn)確,，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中并沒(méi)有什么東西被放大了。我們知道在普通物質(zhì)中,，具有一個(gè)原子核和位于各種不同能級(jí)的電子,；在分子、晶體和其他束縛結(jié)構(gòu)中,，電子能級(jí)之間的特定差決定了哪些躍遷是被允許的,。在激光器中，電子在兩個(gè)允許的狀態(tài)間振蕩,，當(dāng)它們從較高能態(tài)躍遷到較低能態(tài)時(shí)，就會(huì)釋放出一個(gè)具有特定能量的光子,。正是這些振蕩產(chǎn)生了光,，因此，將它稱(chēng)之為“Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation”（受激輻射光振蕩）似乎會(huì)更為貼切,。

○ 將電子“泵”入激發(fā)態(tài),，并利用特定波長(zhǎng)的光子激發(fā)它們，就會(huì)導(dǎo)致釋放出另一個(gè)具有完全相同能量和波長(zhǎng)的光子。| 圖片來(lái)源：Wikimedia Commons

如果能在相同的激發(fā)態(tài)（excited state）產(chǎn)生多個(gè)原子或分子,，并能激發(fā)它們自發(fā)躍遷到基態(tài)（ground state）,，它們將釋放出具有相同能量的光子。這些轉(zhuǎn)換是極快的（但并非無(wú)限快）,，因此理論上我們會(huì)有一個(gè)能使單一原子或分子躍遷到激發(fā)態(tài)并自發(fā)地發(fā)射光子的速率上限,。通常情況下，我們會(huì)在諧振或反射腔內(nèi)使用某種氣體,、分子化合物或晶體來(lái)制造激光,，但也可以使用自由電子、半導(dǎo)體,、光纖，甚至正電子發(fā)射體（理論上）來(lái)制造激光,。

○ ALICE自由電子激光器，不依賴(lài)于傳統(tǒng)的原子或分子的轉(zhuǎn)換,，但依然可以產(chǎn)生相干光。| 圖片來(lái)源：2014 Science and Technology Facilities Counci

從激光器釋放出的能量總量受輸入量的限制,，因此要讓激光器獲得超高功率的唯一方法是縮短發(fā)射激光脈沖的時(shí)間尺度。剛才提到的“PW”并不是指能量,，而是指功率——即單位時(shí)間內(nèi)的能量。一個(gè)PW激光可以是每秒發(fā)射10^15焦耳能量（相當(dāng)于約200千噸TNT釋放的能量）的激光器,，或者是在飛秒內(nèi)（10^-15秒）能釋放一焦耳能量（相當(dāng)于60微克糖燃燒釋放的能量）的激光器,。就能量而言,，這兩種情況是截然不同的,，但是它們的功率卻一樣,。

目前,，100PW激光還沒(méi)能被建成,，這是研究人員計(jì)劃在2020年代取得的下一個(gè)巨大飛躍,。這一項(xiàng)目被稱(chēng)為超強(qiáng)激光站（Station of Extreme Light）,，將在上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置建造,。通常來(lái)自不同波長(zhǎng)光的外部加泵會(huì)激發(fā)激光材料原子內(nèi)的電子，導(dǎo)致能制造出激光的特征轉(zhuǎn)換產(chǎn)生,。然后光子會(huì)在一個(gè)非常窄的一組波長(zhǎng)中以緊密堆積的流或脈沖出現(xiàn)。令很多人吃驚的是,，1PW的門(mén)檻在1996年就被突破了,。但從1PW到10PW的超越,，卻耗費(fèi)了將近20年的時(shí)間,。（在研制100PW激光器的道路上,，中國(guó)并非唯一，歐洲,、日本,、俄羅斯都有相關(guān)的計(jì)劃。）

如果我們想要在功率上有所突破,，就需要在最短的時(shí)間內(nèi)提供最大的能量,。目前的記錄保持者使用的是摻鈦藍(lán)寶石晶體，有著數(shù)百焦耳的能量被泵入其中,，將光來(lái)回反射直到相消干涉抵消大部分脈沖長(zhǎng)度,，輸出被壓縮成一個(gè)只有幾十飛秒長(zhǎng)的單脈沖中。從而達(dá)到10PW的輸出功率,。

功率的下一個(gè)數(shù)量級(jí)大關(guān)的突破,，可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：要么增加激光器里的輸入能量——從幾百焦耳增加到幾千焦耳，要么縮短脈沖的持續(xù)時(shí)間,。增強(qiáng)激光器能量的方法對(duì)目前所使用的激光材料來(lái)說(shuō)會(huì)造成問(wèn)題,。小型的鈦藍(lán)寶石晶體無(wú)法承載如此巨大的能量，而大的鈦藍(lán)寶石晶體又容易導(dǎo)致光向與所需路徑成直角的錯(cuò)誤方向發(fā)射,。因此,，目前研究人員正在考慮的方法主要有三種：

1. 在原來(lái)的10PW脈沖基礎(chǔ)上，通過(guò)一個(gè)光柵將光擴(kuò)展出來(lái),，然后用人造水晶將它們結(jié)合,，在結(jié)合處再次加泵，提高它的功率,。

2. 將來(lái)自一系列不同的高功率激光器的多個(gè)脈沖結(jié)合,，以創(chuàng)造正確的重疊水平：這對(duì)于只有幾十飛秒長(zhǎng)（3-15微米），并以光速移動(dòng)的脈沖來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn),。

3. 或者,，增加第二輪脈沖壓縮，將它們壓縮到幾飛秒之內(nèi),。

○ 偏折光線(xiàn)并將它集中在一個(gè)點(diǎn)上是實(shí)現(xiàn)在空間中的單一位置的強(qiáng)度最大化的關(guān)鍵一步,。| 圖片來(lái)源：M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819–1824

之后，脈沖必須被集中在一個(gè)緊密的焦點(diǎn)之上,，這樣不僅提高功率,，而且也提高了強(qiáng)度。如果100PW的脈沖可以被聚焦到一個(gè)直徑只有3微米的斑點(diǎn)上,，那么這個(gè)微小區(qū)域的強(qiáng)度將達(dá)到驚人的10^24W/cm2（瓦/平方厘米）——比太陽(yáng)光直射地球的強(qiáng)度高出約25個(gè)數(shù)量級(jí),。

○ 量子真空中的虛粒子。即使是在空的空間中,，真空能量也不為零,。| 圖片來(lái)源：Derek Leinweber

這為科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)想要在真空中制造粒子-反粒子對(duì)的愿望開(kāi)啟了一扇門(mén),，但這并非“擊破量子真空”。

根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué),，空間的零點(diǎn)能（指處于最低能量狀態(tài)的空間）并不為零,，而是一個(gè)有限的正值。盡管我們同時(shí)把它視作為粒子和反粒子不斷地出現(xiàn)和消失,，但更好的描述是——在具有足夠能量的情況下,，我們能利用這些空的空間的電磁屬性來(lái)產(chǎn)生真實(shí)的粒子-反粒子對(duì)。這是基于愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程 E = mc2 做到的,，但還需要足夠強(qiáng)的電場(chǎng)才能夠產(chǎn)生這些粒子,，約10^16 V/m（伏特/米）。光作為一種電磁波,，同時(shí)具有電場(chǎng)和磁場(chǎng),，當(dāng)激光強(qiáng)度為10^29 W/cm2時(shí)將達(dá)到該臨界閾值。

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