導(dǎo)讀：2018年的諾貝爾物理獎，想必大家還記憶猶新，獲獎項目“啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification）”是一種可以增強我們當(dāng)今使用的最高功率的研究用激光器脈沖的一種技術(shù)。作為下一代激光裝置，將功率提升至至少10帕瓦（petawatts）。物理學(xué)家預(yù)測這將帶領(lǐng)我們的等離子體研究進入一個新時代。等離子體的典型行為主要受黑洞和來自脈沖星的風(fēng)所影響。

等離子體中的量子電動力學(xué) 現(xiàn)象，來自：Stephen Alvey/Alec Thomas

研究人員發(fā)表了一項評估狀況的研究：即新一代的高功率激光裝置正在準(zhǔn)備教導(dǎo)我們關(guān)于強場量子電動力學(xué)（QED）過程的相對論等離子體的課題。此外，提出的新的研究方案將進一步的探索這一新的現(xiàn)象。

隨等離子體密度變化的強場物理的不同區(qū)域以及要么隨強場要么隨激光強度變化

這一研究成果發(fā)表在期刊《Physics of Plasmas》上，該論文介紹了相對論等離子在超臨界場條件下的物理本質(zhì)，討論了該領(lǐng)域的當(dāng)前研究現(xiàn)狀并提出了未來發(fā)展的可能趨勢。同時還對一直困擾在人們心中且在今后幾年特別重要的沒有定論的問題也給予了重點介紹。

強場量子電動力學(xué)是在大型對撞機設(shè)施中還沒有被探索的粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型研究領(lǐng)域中的一個冷門，如坦福大學(xué)負責(zé)運行管理的SLAC國家加速器實驗室（SLAC National AcceleratorLaboratory）或歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research），造成該研究成為冷門的原因是由于缺乏在加速設(shè)置時的強電磁場所造成。有了高功率激光，研究人員就可以使用強場來進行研究，這一現(xiàn)象在γ射線的發(fā)射和正負電子對形成的現(xiàn)象研究中已經(jīng)得到了觀察。

研究人員探索了基礎(chǔ)物理中可能導(dǎo)致相對論等離子物理潛在發(fā)展的關(guān)鍵問題并發(fā)展了高能離子、電子、正電子和光子源。這一發(fā)現(xiàn)成為發(fā)展許多現(xiàn)代掃描技術(shù)的關(guān)鍵，其范圍可以從材料科學(xué)研究到醫(yī)療發(fā)射治療、到下一代國土安全和工業(yè)所用的X光照相技術(shù)等。

各種相關(guān)的典型研究的結(jié)果

強場量子電動力學(xué)過程會導(dǎo)致顯著的新的等離子體物理現(xiàn)象，如致密電子正電子對等離子體在真空中的產(chǎn)生，由于強場量子電動力學(xué)所造成的完全激光能量吸收過程，或者超相對論電子束的停止，這可以利用細微的激光束穿透1cm厚度的鉛等等。

這一等離子體物理的現(xiàn)象所帶來的新技術(shù)可以將極大的為我們帶來無限新的可能，尤其是在強場量子電動力學(xué)等離子體本身是一種物理中的全新研究領(lǐng)域。在當(dāng)前的階段，即使有足夠的理論解釋也不足以解釋它所擁有的可能應(yīng)用。

圖 強場量子電動力學(xué)研究的時間軸

圖解：該項研究分為三個過程，激光裝置用于中等激光能量強度的用來進行強場量子電動力學(xué)的研究；高能量密度的激光器用來進行多光束裝置進行集積等離子體效應(yīng)和強場量子過程之間的相互影響之間的研究；激光等離子體碰撞的裝置用來進行SF強場量子電動力學(xué)極限的研究

研究人員期望他們的論文能夠引起更多的研究人員對強場量子電動力學(xué)等離子體的現(xiàn)存研究領(lǐng)域的關(guān)注。

Tips：

2018年，（10月2日）諾貝爾物理學(xué)獎?wù)焦?，由三位科學(xué)家共同分享，分別是美國科學(xué)家亞瑟·阿斯金 (Arthur Ashkin) 、法國科學(xué)家杰哈·莫羅 (Gérard Mourou) 和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭 (Donna Strickland)。三位科學(xué)家以在激光物理學(xué)領(lǐng)域的突破性發(fā)明(for groundbreaking inventions in the field of laser physics).

2018年的諾貝爾物理獎獲得者肖像圖

阿金斯的貢獻為“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)的應(yīng)用”，莫羅和唐娜的貢獻為“產(chǎn)生高密度超短光學(xué)脈沖的方法”。1922 年出生于美國紐約布魯克林的阿什金教授被授予了一半的諾貝爾獎金。這位“激光輻射壓力之父”的主要科學(xué)貢獻是在 1987 年前后發(fā)明了一種神奇的“光學(xué)鑷子”，即可以利用所謂的“激光手指”在不傷害生物體活性的前提下抓取其中的微小粒子，包括細菌、病毒和 DNA 等生物材料。這一技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于包括醫(yī)學(xué)在內(nèi)的生命科學(xué)領(lǐng)域。

208年諾貝俄日物理獎-啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification）的原理圖

另外一半諾貝爾獎金由穆魯教授和他的學(xué)生斯特里克蘭教授分享。穆魯于1944年出生在法國的阿爾貝維爾，而斯特里克蘭于1959年出生于加拿大的貴湖。他們二人后來在美國羅徹斯特大學(xué)成為師生，于1985年共同發(fā)明了啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA），該技術(shù)的神奇之處在于能夠?qū)⒍碳す饷}沖放大到極高的峰值功率，甚至達到萬億瓦級。這一發(fā)明徹底改變了激光科學(xué)領(lǐng)域的面貌，也為核物理學(xué)、粒子物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的前沿研究提供了有力的工具。

穆魯教授和他的學(xué)生斯特里克蘭

憑借這一工作， 30 歲的斯特里克蘭于 1989 年獲得了博士學(xué)位，并一舉成為激光領(lǐng)域的青年領(lǐng)軍人物。而她與導(dǎo)師的合作如今得到諾貝爾物理學(xué)獎的承認(rèn)，更是創(chuàng)造了一項歷史記錄：他們是迄今為止唯一由男導(dǎo)師與女學(xué)生分享諾貝爾物理學(xué)獎的師生組合！盡管 1903 年大名鼎鼎的瑪麗·居里（Marie Curie）也與一定程度上具有導(dǎo)師名分的皮埃爾·居里（Pierre Curie）分享了一半的諾貝爾物理學(xué)獎（另一半由法國物理學(xué)家亨利·貝克勒爾（Henri Becquerel）獲得），但他們的主要人際關(guān)系其實是夫妻。

參考：科學(xué)網(wǎng)文章：2018年諾貝爾物理學(xué)獎：年齡與性別的雙重突破，

參考文獻：

1. P. Zhang, S. S. Bulanov, D. Seipt, A. V. Arefiev, A. G. R. Thomas. Relativistic plasma physics in supercritical fields. Physics of Plasmas, 2020; 27 (5): 050601 DOI: 10.1063/1.5144449