超（chāo）快（kuài）激光將徹底改變物理學

在今天的《科學美國人》（Scientific American）雜誌上，剛登載了一篇著名美籍華人科學家的專稿文章（zhāng），標題為：“超快、超強的激光（guāng）將徹（chè）底地改（gǎi）變物理學”。

在介紹這篇文章前，蘑菇视频下载渠道先簡（jiǎn）介文章作者、華人（rén）科學家。她（tā）名為塔米·馬（Tammy Ma），自小隨沒（méi）機會讀完高中的父母從加拿大移民到美國。2005年獲（huò）得加州理工學院（yuàn）的航（háng）空工程學士學位，2008年獲（huò）得碩士（shì）學（xué）位（wèi）和博士學位（wèi）。以後在美國能源部所屬的國家研究機構——勞倫斯·利弗莫爾（ěr）國家實驗室完成博士後研究，並成為一名實（shí）驗物理學家。最近獲得總統科學（xué）與工程學早期職業獎，這是美國政府授予年青科學與工（gōng）程專業人士最高榮譽，獲得過美國物理學會Thomas H. Stix獎，以表彰在等離子體物（wù）理研究（jiū）方麵（miàn）的傑出早期職業貢獻。受邀作為嘉賓參加世界經濟論（lùn）壇。
她在文章中介紹：“不（bú）久前，我還在讀（dú）研究生時，參加了我的第一個高強度激光等離子體（tǐ）實驗。大約每隔一（yī）小時（shí），高功率激光器將釋放不到1萬億分之一秒長的能量，釋放出1皮瓦的能量，這是整個美國電（diàn）網（wǎng）提供的（de）功率的100倍（bèi），聚焦到直徑為直（zhí）徑的十分之一的點上（shàng），猶如一根人的頭發，放在一個微小的金屬箔靶上。”

強度如此之大，以至於（yú）蘑菇视频下载渠道將產生令人難（nán）以置信的高溫和高密（mì）度（dù）的等離子體，用於研究所謂的高能密度物理學（英文：High-Energy-Density Physics，簡稱HEDP）。根據實驗，目標樣品的精確加熱和壓縮可能會產生微小的（de）爆炸，從而（ér）複製超新星內部發（fā）生的事情。

或者，蘑菇视频下载渠道可以仔細選（xuǎn）擇（zé）目標材料（liào）和結（jié）構，以產生一種巨大的X射線或粒（lì）子通量，這種方式對於某天驅動比今天使用的更緊湊的粒子加速（sù）器非常理想。在某些情況下，通過巨大的光壓對材料進（jìn）行的（de）極端壓碎甚至通過完全重新排列原子和（hé）分子結構，導致了一種全新的物質狀態，這是地球上從未有過的狀態。

但是，盡（jìn）管（guǎn）這（zhè）些研究非常複雜，但實際上整個交互和“實驗”都將在眨眼間結束，實際上，比（bǐ）眨眼快1000億倍（bèi）。在不到一秒鍾（zhōng）的時間內，蘑菇视频下载渠道的中子、帶電粒子、x射線和光學診斷程序（xù）套件，將捕（bǔ）獲激光與小目標及其產生的等離子體的瞬時相（xiàng）互作用。然後，我（wǒ）們的研究人員將分散（sàn）到目標區域以檢索蘑菇视频下载渠道（men）的數據，收集膠片並保存有（yǒu）時使用（yòng）30多種儀器的圖像。

然（rán）後，這將使蘑菇视频下载渠道能夠推斷出，蘑菇视频下载渠道在微（wēi）型（xíng）加速器中（zhōng）加速了多少個粒子，或者新材料是處於（yú）晶態還是非晶態，或者蘑菇视频下载渠道創造的（de）超新星有多亮。在激光冷卻所需的（de）時間內，蘑菇视频下载渠道將重置設備，更換濾鏡和膠片，裝入（rù）新的目標，然後在一個小時後重複一次。實驗室裏的（de）好日子是（shì）收集7到8個質（zhì）量數據（jù）點。

那些都是2006年的（de）事（shì）情。進到2020年，高能密度物理領域已得到發（fā）展。設施（shī）已經變得更加通用（yòng），可以（yǐ）將多個激光器或與X射線自由電子激光器（英文：X-ray Free Electron Lasers，XFEL）或（huò）脈衝（chōng）功率機組合在一起的激光器。實驗人員開發了許（xǔ）多新的測量技術，它們（men）能夠在超短時間和（hé）長度範圍內（nèi）實現更（gèng）高的精度。目標變得更（gèng）加複雜和先進；它們可能包含金屬固體或（huò）泡沫，或包含氣體的中空塑料的胡椒大小的珠子，旨在產生精（jīng）確的能量和（hé）粒子特征。所有這（zhè）些新技術（shù）都在高能密度物理方麵取得了巨大進步，產生了與行星科學、天體（tǐ）物理（lǐ）學、材料物理學和聚變有關的新知識。

但是現在，蘑菇视频下载渠道正處於針對蘑菇视频下载渠道領域的徹底範式轉變的風口浪尖（jiān）。現（xiàn）在可以以超過10赫茲（每秒10次）的重複頻率運行高強度短（duǎn）脈衝激（jī）光器，而不是每小時運行一次！激光架構（gòu）的發展和先進的冷卻方案使激光每（měi）秒可發射多次，而不（bú）會產生導致（zhì）熱變形的（de）熱量。

借助這種技術，高能密度實驗本身可以以很高的重複率運行，從而通過巨大（dà）的乘法因子來增加所獲取的數據（jù）量，可以探索的測量類型以及測量的數量級。統（tǒng）計數據的（de）數量級提（tí）高（從而減少（shǎo）誤差線並使蘑菇视频下载渠道的知識更精確）。等離子體是物質的第四種狀態，是宇宙中最普遍存在的（普通而不是暗物質）形式。由於要考慮的等離子體相空間非常大，因此為該勘探提供更多的實驗通量。

當然，要使這樣的快（kuài）速實（shí）驗（yàn）成為現實，不僅必須提高激光器的運行速度（dù），所有其他子係統也必（bì）須相應地提高（gāo）速度。這（zhè）就是（shì）令人興（xìng）奮的地方；在計算能力、機器學習、認知模擬（nǐ）、增材製造和測量技術方麵的最（zuì）新進（jìn）展意（yì）味著，現在是將所有這些結合在一起以比以前更快幾百到幾千倍地執行（háng）實（shí）驗的時機。簡而言（yán）之，可以加快學習速度，而且毫不誇張地說，這將對高能密度物理學產生（shēng）變革。

從本質上講，將這（zhè）些技術整合在一起將創建（jiàn）一個知（zhī）識工廠，一種高響應率的實驗激光器，通過將最（zuì）先進的硬件和從頭開始的機器學習分析相結合，可以同時（shí）加速經驗發（fā）現和計（jì）算機模型開發以及整個設施的端到端。

這實際上（shàng）是什麽樣的？通過一係列（liè）反饋循環來概念化這樣的工（gōng）廠。在高重複率下，激光工廠可靠地執行了數百（bǎi）萬次發射，並處於（yú）安全的工作狀態，同時（shí）激光的能量，脈衝長度、焦點和其他參數不斷自動地修（xiū）改所產生的等離子體作為反饋回路一。代（dài）替（tì）研究生收集X射線膠片，數字化（huà）的數據在每次拍攝（shè）後立即進（jìn）行分析和縮減（jiǎn），並反饋給目標和激光，以優化參數並修改下一個鏡頭的目標設計作為（wéi）第二個循環。

增材製造的進步可以（yǐ）“按（àn）需”產生這些更複雜的目標作為循環三。增強的超級計算能力和新的機器學習技術帶來了數據分析，預測和使用（yòng）高保真模擬與實驗進行比較的新方法作為循環4、5和6。這些協作技術使新的發現過程成為可能。

在高能密度科學中，目標是變（biàn）得更熱、更密、更（gèng）好、更快，以實現天體物理學中新的等離子（zǐ）體現（xiàn）象狀態並（bìng）創建新的物質狀態。就在過去的幾年（nián）中，蘑菇视频下载渠道（men）看到（dào）了高能密度取得的一些令人興奮的結果（guǒ）：通過壓縮已知的最難壓縮的材料金剛石，並測量其晶體結構隨壓力的增加而變化（huà），並將（jiāng）這些數據（jù）與行星演化模型進行比較，證明木星的核心是由純鑽石製成。

激光驅動慣性約束（shù）聚變取得了長足的（de）進步。蘑菇视频下载渠道必須達（dá）到壓力和限製時間的70％以（yǐ）內，以實現（xiàn）持續的熱核燃燒，其中輸出能量大於輸入能量。等離（lí）子體（tǐ）正以全新的方式被操縱以充當無限通用的光學器（qì）件。想象一下，使（shǐ）用新的高重複率（lǜ）設備，每（měi）小時可以拍攝數千張照片，而不是現在每小時隻可以拍幾（jǐ）張照片，科學進步（bù）將有多快。確（què）實，這將是一個富有成果的發現之（zhī）地。

超快、超強激光將徹底改變物理（lǐ）學，它們將成為行星科（kē）學、天體物理學、材料物理學、聚變等領域的“發現工廠”的心髒。如上圖（tú）所示，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的一個所謂的“Hohlraum”手持微小的器械（xiè），將用強力激光對其進行爆炸，以點燃（rán）核聚變。