“目標是炸破真空”:諾貝爾獎如何推動科學發展

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2018年諾貝爾物理學獎授予美國科學家阿瑟·阿什金、法國科學家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭,以表彰他們在激光物理學領域的突破性貢獻。12月10日,頒獎典禮在斯德哥爾摩舉行。俄羅斯國立核能研究大學莫斯科工程物理學院(NRNU MEPhI)激光與等離子體技術研究所教授謝爾蓋·波普魯任科向“今日俄羅斯”國際通訊社“社會導航”項目記者介紹了穆魯和斯特里克蘭的科研突破的意義及其應用於未來激光物理學的前景。

- 斯特里克蘭和穆魯的發明的實質是甚麼?

— 二人於1985年發表的論文在提高激光裝置最大強度方面帶來了巨大進步。

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在很長一段時間里人們曾認為,由於激光工質只能承受一定的能量密度,所以場強有限。20世紀80年代,激光裝置達到了這個極限,研究更大功率可謂天方夜譚。

1985年,斯特里克蘭和穆魯想到了突破這一局限的方法。當時已出現可以產生持續時間超短的輻射脈衝的激光裝置。短激光脈衝可用稜鏡或衍射光柵延長,從始至終,其顏色變化不大,一頭變紅,另一頭變藍。

穆魯和斯特里克蘭想到,可以獲得極限飛秒脈衝,拉伸數千到數十萬次,使之略微“淡化”,這樣,脈衝每部分都將有自己的頻率,且與平均值差距不大。

然後,脈衝功率會有甚麼變化?它會減小。處於功率極限的激光脈衝通過衍射光柵時會被拉長,其功率將下降許多倍。然後我們可以再次讓它進入這個系統,重新使其增至極限。之後,經過下一個衍射光柵反射,再壓縮。

該過程使得激光輻射強度增加數千倍。斯特里克蘭和穆魯向人們證明,他們的想法行之有效,而且結果顯示,它可以輕易實現。

- 這項發明帶來了甚麼?

— 使激光峰值功率大幅度提高。30年來,它提升了百萬倍。此外,此發明大大推動了基礎科學的發展,拉近了科學家與這個之前被認為無法進行實驗的物理學領域的距離。

- 莫斯科工程物理學院何時加入了這些研究?

— 曾擔任我們學校理論核物理系主任的尼古拉·鮑里索維奇·納羅日內教授是世界上最著名的強電磁場量子電動力學專家、理論家之一。他和穆魯教授於20世紀70年代相識,當時他們一起在美國羅切斯特大學進修。

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2005年在日本舉行的激光物理學會議上,穆魯和納羅日內教授相遇,記起了對方。這次會議頗有成效。聽完納羅日內有關預言在強電磁場中真空可產生一對“電子和正電子”的報告及其他科學家的報告後,穆魯知道,他的發明可為基礎物理學的發展提供巨大推力,如果這項技術更加完善,那麼就可以獲得納羅日內談到的那些電磁場。

穆魯問,為甚麼會是一對“電子和正電子”?或許,如果我們進一步增加強度,真空將會因這些電子對而爆炸,從而拋出大量的電子對。結果,他說出了那句著名的話,“我的夢想就是製作這樣的引爆真空的激光裝置” 。 

- 如何使真空爆炸?

— 這個想法是在穆魯、納羅日內和其他理論家的討論中產生。激光場中的電子可以與光子碰撞,產生另一對“電子和正電子”,然後再一對,結果發生級聯,類似於宇宙射線進入地球大氣層時出現的級聯。如果真空中攝入強大激光,這種“暴雨”就會憑空產生。

納羅日內、費多托夫、科恩和穆魯發表過一篇論文,證明瞭這些級聯會發展,並導致激光完全轉化為粒子,這也被稱為“炸破真空”。誠然,這個想法距離實現還很遙遠。

- 超強激光裝置項目進展如何?

— 最知名的項目是極端光基礎設施(Extreme Light Infrastructure,ELI)。這是一個正在建設中的實驗室,由位於捷克、羅馬尼亞和匈牙利的三個獨立部分組成。按計劃,將打造每平方釐米強度為1024瓦,甚至可能為1025瓦的激光裝置。在斯特里克蘭和穆魯的發明問世之前,從未超過每平方釐米1015瓦。

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雖然這還不足以實現穆魯關於真空爆炸的想法,但這是非常重要的一步。

下一步是建立一個國際極端光研究中心(XCELS),它將擁有世界上最強大的激光設施,其強度將達到每平方釐米1026瓦,甚至更高。在現任俄羅斯科學院院長亞歷山大·米哈伊洛維奇·謝爾蓋耶夫的領導下,穆魯和其它世界知名超強激光技術領域專家在位於下諾夫哥羅德的俄羅斯科學院應用物理研究所參與設計了這種裝置。目前,該項目正在等待資金划撥,可能,穆魯獲諾貝爾獎對此有推動作用。

- 獲得諾貝爾獎還有可能帶來哪些影響 ?

— 我認為,全世界對激光項目的支持會加強。

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公眾會關注這一科研領域,中小學生和大學生都將瞭解它,也有人會進入這個研究領域。

這對國立核能研究大學莫斯科工程物理學院也很重要,因為我們大學已深深融入這項研究,我們在ELI和XCELS大型項目中負責理論研究。

儘管激光裝置仍在建設中,但ELI基礎設施已經開始運作。我不久前剛去過那裡,從項目主管喬治·科恩(Georg Korn)那裡得知,項目工作人員中俄羅斯人數排名第二,其中很多是莫斯科工程物理學院的專家。

需要指出的是,莫斯科工程物理學院為有志從事實驗或理論激光科學的年輕人提供了非常好的起步條件。與我們合作的實驗室處於實驗激光科學領域的最前沿。

我希望,ELI激光裝置能夠在幾年內啓用,這將是在實踐中檢驗穆魯在納羅日內和其他理論物理學家研究基礎上所提想法的倒數第二步。

如果XCELS項目得到支持,最後一步將在俄羅斯完成。

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