相對(duì)論的平面激光脈沖與“光扇”結(jié)構(gòu)固體靶相互作用，反射出相對(duì)論強(qiáng)度的渦旋激光脈沖。后者攜帶有很高的角動(dòng)量密度，而等離子體也獲得同量反向的軌道角動(dòng)量。

　　光子可以推動(dòng)航天器(圖一)，這種看似科幻式的想象有個(gè)形象的名字叫做光帆。在如今的科研前沿，相對(duì)論的超強(qiáng)超快激光可以被用來(lái)推動(dòng)電子層運(yùn)動(dòng)，從而加速質(zhì)子。這也被稱之為光壓加速。

　　光子除了有一般的線性動(dòng)量外，也有角動(dòng)量。后者包括自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量，可以分別類似對(duì)應(yīng)到地球的自轉(zhuǎn)和地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)。這在較弱的激光物質(zhì)相互作用領(lǐng)域已經(jīng)被理論和實(shí)驗(yàn)大量研究，而且有一些實(shí)際的應(yīng)用比如光鑷。但如果光強(qiáng)到達(dá)相對(duì)論強(qiáng)度，原子會(huì)被迅速電離為等離子體狀態(tài)。其中電子在激光場(chǎng)中的振蕩速度可以非常接近光速，許多相對(duì)論效應(yīng)都會(huì)出現(xiàn)。比如非線性效應(yīng)導(dǎo)致的高次諧波。

圖一 光帆推動(dòng)宇航器

　　如果我們將相對(duì)論強(qiáng)度的激光直接照射在特殊結(jié)構(gòu)的固體薄靶上，那么靶材表面產(chǎn)生的特殊結(jié)構(gòu)等離子體也會(huì)讓參與作用的激光改變結(jié)構(gòu)(圖二)。模擬和理論結(jié)果顯示反射光變成一種攜帶軌道角動(dòng)量的相對(duì)論量級(jí)的渦旋光束。這種光束的波前相位面呈現(xiàn)出一種渦旋的扭曲面，通過麥克斯韋方程的光波理論可以預(yù)計(jì)這種形式的光束將攜帶一定的軌道角動(dòng)量。靶材內(nèi)的等離子體物質(zhì)同時(shí)可獲得等量反向的軌道角動(dòng)量(相關(guān)的模擬動(dòng)畫可見。

圖二 光扇

　　當(dāng)然這并非題目中所說的真的“轉(zhuǎn)動(dòng)”了，而是指根據(jù)對(duì)等離子體所有粒子統(tǒng)計(jì)得到的凈軌道角動(dòng)量。但即使這樣，得到的相對(duì)論渦旋光和在相對(duì)論激光等離子體中對(duì)角動(dòng)量效應(yīng)的首次強(qiáng)調(diào)也很有意義。

　　比如我們已經(jīng)利用現(xiàn)有的相對(duì)論強(qiáng)激光技術(shù)在幾個(gè)微米的尺度下加速出了幾個(gè)GeV的電子束，這在能量上已經(jīng)可以媲美現(xiàn)有的幾公里尺寸的傳統(tǒng)加速器了(比如上海光源)，被稱之為激光等離子體尾波加速器。但已有光源與等離子體相互作用產(chǎn)生的獨(dú)特場(chǎng)結(jié)構(gòu)也讓加速正電子或帶正電荷的離子變得很困難。一個(gè)重要原因就是，加速過程中橫向的力分布不再是匯聚的(對(duì)于負(fù)電荷的電子是匯聚的，但對(duì)于正電荷的離子就是發(fā)散的了)。而上海光機(jī)所強(qiáng)光實(shí)驗(yàn)室的沈百飛小組與國(guó)際上的其他小組都提出了利用渦旋光與等離子體相互作用產(chǎn)生的獨(dú)特結(jié)構(gòu)來(lái)有效加速正電荷的離子。

　　由于在天體環(huán)境中，自旋與公轉(zhuǎn)幾乎是比單一方向的運(yùn)動(dòng)更普遍的現(xiàn)象。而自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)更多在機(jī)械引力范圍進(jìn)行考慮，但我們獲得遙遠(yuǎn)時(shí)空處的信息卻更多是通過不同頻段的輻射。這提供了天文學(xué)家?guī)缀跛嘘P(guān)于宇宙的信息。除此之外，在黑洞與中子星等極端環(huán)境下，輻射能與物質(zhì)能達(dá)到可比的程度。輻射甚至?xí)绊懱祗w的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。而這些平衡運(yùn)動(dòng)中，無(wú)不關(guān)系到角動(dòng)量。至今，角動(dòng)量在光與物質(zhì)的相互作用中扮演何種角色仍然需要更多研究。如果說線性動(dòng)量守恒是時(shí)空平移不變(或叫對(duì)稱)的結(jié)果，那么角動(dòng)量守恒就是自旋和公轉(zhuǎn)保持不變的結(jié)果。我們不清楚來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙的超新星爆炸產(chǎn)生的高能粒子到達(dá)地球與我們細(xì)胞中的DNA相互作用時(shí)，是否有角動(dòng)量參與作用。也不知道在黑洞與中子星的極端條件下，是否仍然存在一種角動(dòng)量的守恒。宇宙環(huán)境的某些各向同性又與產(chǎn)生之初的角動(dòng)量分布有沒有關(guān)系？如果我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下可以得到相對(duì)論量級(jí)的渦旋光束，那么就可以在實(shí)驗(yàn)室里更加可靠地模擬一些天體環(huán)境和研究角動(dòng)量的影響。不僅如此，如果這種相對(duì)論的強(qiáng)激光可以被想象用作加速飛行器，那么同樣強(qiáng)度的渦旋光就有可能對(duì)飛行器進(jìn)行復(fù)雜的空間方位調(diào)節(jié)。