撕裂真空的激光？
根據量子電動力學（描述電磁場如何與物質相互作用的一個理論），真空並非如經典物理認為的那麼空。如果我們能通過某種方式把充滿在空間中的物質、各種輻射和引力波全都移除，仍能發現存在於空間的少量固有能量。現在，如果向真空發射一束足夠強的激光，那麼會不會像《科學》雜誌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》雜誌近日的一篇報道中提到，中國物理學家（李儒新帶領的團隊）今年將要開始建造名為「超強激光站」的100PW（100拍瓦=10^17瓦）激光器。到了2023年，它將把脈衝「拋向」地底下20米深處的腔室，從而創造出通常在地球上無法達到的極端溫度和壓力。
那麼究竟要如何才能實現這項宏偉的目標呢？這將有助於物理學家探索怎樣獨特的現象呢？真空真的能夠被撕裂嗎？
要回答這些問題，我們從激光這一概念開始探討。
位於上海的激光器，創下了最大功率紀錄。最大強的激光並非上市那些能量最強的，而通常是具有最短激光脈衝的。| 圖片來源：KAN ZHANG
儘管激光現在非常普遍，但這一概念本身來說仍是相對新穎的。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。但其實 Laser 這一名稱並不準確，因為這個過程中並沒有什麼東西被放大了。我們知道在普通物質中，具有一個原子核和位於各種不同能級的電子；在分子、晶體和其他束縛結構中，電子能級之間的特定差決定了哪些躍遷是被允許的。在激光器中，電子在兩個允許的狀態間振蕩，當它們從較高能態躍遷到較低能態時，就會釋放出一個具有特定能量的光子。正是這些振蕩產生了光，因此，將它稱之為「Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation」（受激輻射光振蕩）似乎會更為貼切。
將電子「泵」入激發態，並利用特定波長的光子激發它們，就會導致釋放出另一個具有完全相同能量和波長的光子。| 圖片來源：Wikimedia Commons
如果能在相同的激發態（excited state）產生多個原子或分子，並能激發它們自發躍遷到基態（ground state），它們將釋放出具有相同能量的光子。這些轉換是極快的（但並非無限快），因此理論上我們會有一個能使單一原子或分子躍遷到激發態並自發地發射光子的速率上限。通常情況下，我們會在諧振或反射腔內使用某種氣體、分子化合物或晶體來製造激光，但也可以使用自由電子、半導體、光纖，甚至正電子發射體（理論上）來製造激光。
ALICE自由電子激光器，不依賴於傳統的原子或分子的轉換，但依然可以產生相干光。| 圖片來源：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髮射激光脈衝的時間尺度。剛才提到的「PW」並不是指能量，而是指功率——即單位時間內的能量。一個PW激光可以是每秒發射10^15焦耳能量（相當於約200千噸TNT釋放的能量）的激光器，或者是在飛秒內（10^-15秒）能釋放一焦耳能量（相當於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激光還沒能被建成，這是研究人員計劃在2020年代取得的下一個巨大飛躍。這一項目被稱為超強激光站（Station of Extreme Light），將在上海超強超短激光實驗裝置建造。通常來自不同波長光的外部加泵會激發激光材料原子內的電子，導致能製造出激光的特徵轉換產生。然後光子會在一個非常窄的一組波長中以緊密堆積的流或脈衝出現。令很多人吃驚的是，1PW的門檻在1996年就被突破了。但從1PW到10PW的超越，卻耗費了將近20年的時間。（在研製100PW激光器的道路上，中國並非唯一，歐洲、日本、俄羅斯都有相關的計劃。）
如果我們想要在功率上有所突破，就需要在最短的時間內提供最大的能量。目前的記錄保持者使用的是摻鈦藍寶石晶體，有著數百焦耳的能量被泵入其中，將光來回反射直到相消干涉抵消大部分脈衝長度，輸出被壓縮成一個只有幾十飛秒長的單脈衝中。從而達到10PW的輸出功率。
功率的下一個數量級大關的突破，可以通過兩種方法實現：要麼增加激光器里的輸入能量——從幾百焦耳增加到幾千焦耳，要麼縮短脈衝的持續時間。增強激光器能量的方法對目前所使用的激光材料來說會造成問題。小型的鈦藍寶石晶體無法承載如此巨大的能量，而大的鈦藍寶石晶體又容易導致光向與所需路徑成直角的錯誤方向發射。因此，目前研究人員正在考慮的方法主要有三種：
在原來的10PW脈衝基礎上，通過一個光柵將光擴展出來，然後用人造水晶將它們結合，在結合處再次加泵，提高它的功率。
將來自一系列不同的高功率激光器的多個脈衝結合，以創造正確的重疊水平：這對於只有幾十飛秒長（3-15微米），並以光速移動的脈衝來說是一個挑戰。
或者，增加第二輪脈衝壓縮，將它們壓縮到幾飛秒之內。
偏折光線並將它集中在一個點上是實現在空間中的單一位置的強度最大化的關鍵一步。| 圖片來源：M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819–1824
之後，脈衝必須被集中在一個緊密的焦點之上，這樣不僅提高功率，而且也提高了強度。如果100PW的脈衝可以被聚焦到一個直徑只有3微米的斑點上，那麼這個微小區域的強度將達到驚人的10^24W/cm2（瓦/平方厘米）——比太陽光直射地球的強度高出約25個數量級。
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。| 圖片來源：Derek Leinweber
這為科學家長期以來想要在真空中製造粒子-反粒子對的願望開啟了一扇門，但這並非「擊破量子真空」。
根據量子電動力學，空間的零點能（指處於最低能量狀態的空間）並不為零，而是一個有限的正值。儘管我們同時把它視作為粒子和反粒子不斷地出現和消失，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產生真實的粒子-反粒子對。這是基於愛因斯坦的質能方程 E = mc2做到的，但還需要足夠強的電場才能夠產生這些粒子，約10^16 V/m（伏特/米）。光作為一種電磁波，同時具有電場和磁場，當激光強度為10^29 W/cm2時將達到該臨界閾值。
當強度達到10^29W/cm2的時候，就應該足以在量子真空中製造電子-正電子對。| 圖片來源：Wikimedia Commons
但是，即使是科學文獻中所描述的最「夢幻」的情況，強度也比閾值門檻小了十萬倍，而當強度低於這個閾值時，粒子-反粒子對的產生能力也會受到指數級的抑制。其中的機制並不是簡單的電子偶產生的反向過程（指兩個光子相互作用產生電子-正電子對，是電子與正電子湮滅產生兩個光子的逆反應，這一現象於1997年被首次用實驗驗證）。在激光裝置中，單獨的光子並沒有足以產生新粒子的能量，而是它們在真空里的綜合效應使得粒子-反粒子對能以特定的概率出現。但是，除非這一強度接近10^29 W/cm2這一臨界值，否則這一概率基本為零。
從空的空間中產生粒子的物質-反物質對的能力，將是對量子電動力學的一個重要檢驗，也將是展示激光威力和我們對它們的控制能力的強有力證明。從這個機制我們或許無法達到那個能產生粒子-反粒子對的關鍵閾值，但我們將要麼接近，要麼用某種其他機制來提高我們的產出。無論如何，量子真空永遠不會被擊破，而是會完全符合預期的那樣：按照物理定律所述的那樣與物質和能量作用。這或許並不直觀，但它所蘊含的其實更強大：它是可預測的。而做出預測以及用實驗來驗證或證偽它們就是科學的全部。雖然我們可能離那種情況還很遠，但是在功率和強度上的每一次飛躍都在更進一步的邁向激光物理學的這座「聖杯」。
撰文：Ethan Siegel
編譯：小雨
參考鏈接：
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/02/03/ask-ethan-can-a-laser-really-rip-apart-empty-space/#5435d260f4b0
http://www.sciencemag.org/news/2018/01/physicists-are-planning-build-lasers-so-powerful-they-could-rip-apart-empty-space
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