李儒新：中國科學(xué)院院士，中科院上海光機(jī)所研究員，光學(xué)專家，主要從事超高峰值功率超短脈沖激光與強(qiáng)場(chǎng)激光物理研究?，F(xiàn)任中國光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、國際超高強(qiáng)度激光委員會(huì)委員。

大家下午好，非常榮幸能夠來到墨子沙龍。我今天講關(guān)于“羲和”的故事。

離我們所在的秀浦路99號(hào)（中科大上海研究院）東北大概八公里，有個(gè)張江高科技園區(qū)，在那里你們可以看到“羲和“兩個(gè)字。羲和是《山海經(jīng)》里面的一個(gè)傳說形象，是十個(gè)太陽的母親，也是中國的太陽女神。《山海經(jīng)》當(dāng)中記載，羲和的職責(zé)是每天推著車，帶著十個(gè)太陽輪流上崗。有一天十個(gè)太陽不守規(guī)矩同時(shí)上來了，就被后羿給射了下來。由于羲和是十個(gè)太陽的母親，我們就用她的名字命名了目前全世界峰值功率最高的激光裝置。

我今天講的題目是：強(qiáng)激光與加速器。強(qiáng)激光有多強(qiáng)？在相當(dāng)于秒、秒（飛秒）量級(jí)那么短的一剎那發(fā)出的光，其能量相當(dāng)于全世界電網(wǎng)里面同等時(shí)間尺度的能量的1000倍。這樣一臺(tái)強(qiáng)大的激光可能會(huì)給我們的很多科學(xué)研究帶來新的機(jī)遇，特別是可能給加速器帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

今天在這里講強(qiáng)激光與加速器還是很有意義的。在我們的東北八公里左右，是最強(qiáng)的“羲和”激光，再往北，過川楊河就到達(dá)了張衡路。張衡路是以我們偉大的科學(xué)家的名字命名的，張衡路上有一臺(tái)我們國家從12年前就建設(shè)的同步輻射裝置，是一個(gè)30億電子伏特的電子加速器。離我們這再往東大概七公里有復(fù)旦大學(xué)上海質(zhì)子重離子醫(yī)院，有一臺(tái)質(zhì)子重離子的加速器。上海光源是加速電子，質(zhì)子重離子加速器加速的是質(zhì)子和碳離子。往西邊走跨過市中心到達(dá)嘉定區(qū)，那里有我們國家、也是目前為止全世界規(guī)模最大的幾臺(tái)激光裝置之一——“神光二號(hào)”裝置。離它不遠(yuǎn)的瑞金醫(yī)院北院有我們國內(nèi)科學(xué)家自己研制的首臺(tái)質(zhì)子治療裝置。所以從我們這兒出發(fā)，一個(gè)小時(shí)以內(nèi)我們可以到達(dá)很多重要的激光裝置和加速器。

強(qiáng)激光跟加速器有很大的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。這里我就不非常詳細(xì)地去講它的歷史，僅僅簡(jiǎn)要回顧一下。激光技術(shù)，加速器技術(shù)，這兩者的發(fā)展都起源于20世紀(jì)。當(dāng)然加速器要早一點(diǎn)，因?yàn)榧铀倨飨鄬?duì)來說原理更加簡(jiǎn)單：在電場(chǎng)當(dāng)中的帶電粒子會(huì)受到電場(chǎng)力的作用從而獲得速度和能量。剛才我們提到的上海光源電子加速器，能量指標(biāo)是30億電子伏特，相當(dāng)于使電子獲得了30億電子伏特的能量。加速器的技術(shù)門檻還是比較低的，隨著電壓的提高，就可以讓帶電粒子逐步地獲得更高的能量。但這一點(diǎn)也不是那么容易的。當(dāng)電壓很高時(shí)，我們就很難進(jìn)一步增加電壓了。生活中我們能夠接觸到的電壓通常為幾百伏，幾十億伏的電壓是很難想象的，當(dāng)然會(huì)遇到很大的挑戰(zhàn)。

激光技術(shù)門檻較高，而我們常見的燈光是沒有相干性的。公元前400年，墨子通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)論證了光是沿直線傳播的。什么樣的光源可以傳到很遠(yuǎn)的地方還不會(huì)散開呢？我們常見的手電筒，在很近的距離就會(huì)散開。而激光具有非常好的方向性，哪怕只產(chǎn)生很弱的激光，都需要很高的門檻，這也使得激光的發(fā)明比加速器要晚。雖然也經(jīng)過幾十年的發(fā)展，但相對(duì)而言，激光領(lǐng)域還是一個(gè)年輕的領(lǐng)域。

我們國家在長(zhǎng)春制造了我國的第一臺(tái)激光器，是1961年中國科學(xué)院的光學(xué)精密機(jī)械研究所（“光機(jī)所”）制造的。上海光機(jī)所，就是長(zhǎng)春光機(jī)所發(fā)展了第一臺(tái)激光器之后到上海來建立的機(jī)構(gòu)。回顧加速器和激光的歷史會(huì)看到，兩者一開始沒有很緊密的關(guān)系，但現(xiàn)在已經(jīng)形成了相互促進(jìn)、共同發(fā)展的新局面。

我給大家講一講這里面的故事。

現(xiàn)在我們先回到加速器。剛剛講到，加速電子需要高壓電場(chǎng)，當(dāng)電壓升高之后，如果加速器很小（電場(chǎng)強(qiáng)度大），介質(zhì)（比如空氣，再比如實(shí)驗(yàn)室中的假真空）就很容易被擊穿。因此要把電子加速到很高的能量，需要造很大的加速器，后來勞倫斯又提出了能夠轉(zhuǎn)圈的回旋加速器，一定程度上減小了加速器的尺寸。剛剛提到的上海光源就是通過環(huán)形的加速器來加速電子的。

現(xiàn)在世界上最大的環(huán)形加速器LHC在歐洲核子研究組織（CERN），周長(zhǎng)27公里。在這個(gè)裝置上也獲得了很多極其重要的科學(xué)成果，比如找到了“上帝粒子“——希格斯玻色子，它是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的一塊很重要的基石。

中國的第一臺(tái)激光器是王之江老師1961年在長(zhǎng)春做的。它與美國的第一臺(tái)激光裝置有差別。雖然他們利用的方法有所不同，但基本原理類似。中國的這一臺(tái)裝置在原理設(shè)計(jì)上面能夠提供更高的效率。

我們今天的激光器發(fā)展到了什么樣的程度呢？如下圖所示。其中右列的第五個(gè)裝置就是我們的“羲和”裝置。 

1960年第一臺(tái)激光器發(fā)明之后，它的功率是瓦級(jí)，甚至沒有達(dá)到我們?nèi)粘Ｕ彰鳠艄獾墓β?。而現(xiàn)在我們達(dá)到了十個(gè)拍瓦（萬萬億瓦）。當(dāng)然，歐洲、美國、英國的國際同行也在建設(shè)一些類似的裝置，大家都在朝著更高的峰值功率這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)。

激光裝置相對(duì)加速器而言，體積小一些，它的能量密度更高，可以在更小的時(shí)間、空間把能量提高到更高的量級(jí)。如果兩種技術(shù)相結(jié)合的話，就有可能把幾十公里大的加速器做得比較小巧，當(dāng)然這是未來的一個(gè)目標(biāo)。

我們可以在地圖上看到，除了激光、加速器以外，還有一些結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)的裝置都在我們的附近。

上海光源通過轉(zhuǎn)圈的方式把電子加速到30億的電子伏特；已經(jīng)建成的“羲和一號(hào)”達(dá)到了萬萬億瓦的峰值功率。我們正在建結(jié)合激光和加速器的一個(gè)裝置，就是圖中紅顏色的部分。這個(gè)裝置可以讓電子在1.4公里的長(zhǎng)度內(nèi)達(dá)到80億電子伏特，然后讓它發(fā)出光。

未來我們的“羲和二號(hào)”比目前的“羲和”性能高十倍，功率能跟100個(gè)太陽相比?！棒撕投?hào)”裝置在圖中也可以看到。未來兩個(gè)光源的相互作用能夠提供科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。“羲和”這樣一個(gè)裝置可以提供前所未有的極高的能量密度。這么短的時(shí)間空間窗口里面，它創(chuàng)造的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度還有光的壓力等物理?xiàng)l件都是其他手段所不能提供的。因此，它帶來了很多基礎(chǔ)研究、科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)遇。

現(xiàn)在“羲和一號(hào)”已經(jīng)建成了，今年（指2021年）就開始對(duì)外開放，有很多好想法的科學(xué)家就可以利用這個(gè)裝置來做實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)在我們來講一講加速器和激光兩個(gè)領(lǐng)域的關(guān)系。一個(gè)足夠強(qiáng)的激光器會(huì)給我們加速器帶來什么發(fā)展機(jī)遇？基于高功率激光的高能粒子加速器是不是可行的？

剛才已經(jīng)提到，我們傳統(tǒng)的加速器利用電場(chǎng)加速帶電粒子。為了讓粒子獲得大的動(dòng)能的同時(shí)避免介質(zhì)擊穿的問題，就必須拉開長(zhǎng)度，一級(jí)一級(jí)慢慢地加速帶電粒子。而用激光加速粒子卻不用擔(dān)心介質(zhì)擊穿，因?yàn)榧す鈸碛羞@么高的電場(chǎng)強(qiáng)度，它的介質(zhì)本身就不是空氣而是一種等離子體。它本身就是電離的，所以它不怕電離，可以承受很高的電場(chǎng)強(qiáng)度。理論上，激光能夠把加速器的尺寸縮小3個(gè)數(shù)量級(jí)。這是一個(gè)很大的技術(shù)進(jìn)步。當(dāng)然，還需要把激光做得更加穩(wěn)定可靠，還需要進(jìn)一步的發(fā)展。 

激光加速概念最早是科學(xué)家T. Tajima跟他的老師J. M. Dawson于1979年在加州大學(xué)洛杉磯分校提出的。

激光驅(qū)動(dòng)等離子體尾波場(chǎng)加速這個(gè)想法誕生以后，那時(shí)還沒有那么強(qiáng)的激光器。直到大概 1985年，激光領(lǐng)域才誕生新方法來產(chǎn)生所需要的這么強(qiáng)的激光。

一個(gè)想法誕生以后，往往需要長(zhǎng)時(shí)間的優(yōu)化和技術(shù)積累才能夠變成現(xiàn)實(shí)。2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)吣卖敚℅erard Mourou）和斯特里克蘭（Donna Strickland）在1985年提出了一種方法，這種方法能夠非常巧妙地去解決產(chǎn)生強(qiáng)激光時(shí)材料的破壞問題。因此這一突破使得激光的功率很快速提升。但是即使是這么好的想法，也經(jīng)過了將近20年的發(fā)展，才真正的用于制造超強(qiáng)激光裝置。

2004年，由于激光器技術(shù)成熟了，1979年的想法才得以實(shí)現(xiàn)。用激光做加速器的想法第一次非常完美的實(shí)現(xiàn)是在2004年，當(dāng)時(shí)英國、法國、美國的三家實(shí)驗(yàn)室在同一時(shí)間共同的宣布利用激光獲得一個(gè)很小型化的加速器。這一成果實(shí)現(xiàn)了我們25年前提出的那個(gè)夢(mèng)想，這是非常偉大的事件。它被稱為“夢(mèng)之束”。

這個(gè)首秀得到電子能量還不夠，大約只把電子加速到了（一億）電子伏特的能量，而我們上海光源能把電子加速到十億電子伏特，因此這個(gè)技術(shù)還有很大的成長(zhǎng)空間。但之后的發(fā)展就非常迅猛了，很快從一億到達(dá)十億，這一步跨越只花了兩年時(shí)間。

2006年第一次實(shí)現(xiàn)了達(dá)到十億量級(jí)的電子加速器。能量指標(biāo)雖然達(dá)到了，但很多其他的性能跟我們傳統(tǒng)加速器還是沒法比，而解決這些問題花的時(shí)間就長(zhǎng)得多，直到現(xiàn)在還沒有完全做到。我們希望造出一個(gè)能量高、尺寸小、其他性能也能夠同傳統(tǒng)的加速器相比的激光加速器。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，包括中美在內(nèi)，全世界的很多團(tuán)隊(duì)在努力。大家都想解決這個(gè)問題，都在賽跑，基本上也是同一時(shí)刻提出了一個(gè)新的方法來解決激光加速器獲得的電子束的品質(zhì)不夠高的問題。

大家從圖中可以看到，從2004年的突破、2006年到達(dá)十億電子伏特之后，能量提升就很困難了，經(jīng)過了非常漫長(zhǎng)的發(fā)展過程才遇到了第二個(gè)上升的臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)能量和其他性能的共同提高?，F(xiàn)在，激光加速器在可遇見的未來真的是可以做一些更加宏偉的科學(xué)探索了。如果用傳統(tǒng)辦法做一個(gè)電子伏特的一個(gè)加速器，需要繞地球赤道一圈?，F(xiàn)在有了激光加速器，可以把它縮小1000倍，變成可以實(shí)現(xiàn)的事情。

反過來，由于加速器的快速發(fā)展，也給激光領(lǐng)域帶來了很多前所未有的新發(fā)展。最典型的例子就是短波長(zhǎng)激光。大家知道拍胸片的X光波長(zhǎng)是納米量級(jí)，我們是不是能夠產(chǎn)生這么短波長(zhǎng)的激光呢？圍繞這個(gè)目標(biāo)，全世界科學(xué)家經(jīng)過了長(zhǎng)期探索，但是一直沒有找到一個(gè)最佳的解決方案。但直線加速器的快速發(fā)展，它使電子束流的品質(zhì)可以非常好，在單位時(shí)間單位體積里面，同樣的能量的電子數(shù)很多?；谶@樣的原理，國際上，美國斯坦福、日本的理化所、德國漢堡，先后做了三臺(tái)波長(zhǎng)約0.1納米的激光器。這是基于加速器做出來的，至今為止，加速器是產(chǎn)生短波長(zhǎng)激光最佳的手段。

現(xiàn)在在我們的張江科學(xué)城就有加速器光源，又有激光光源，實(shí)現(xiàn)了從長(zhǎng)波長(zhǎng)到短波長(zhǎng)全面覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)很全面的科學(xué)探索，這要?dú)w功于我們的加速器。一直以來，我們希望通過激光器縮小加速器的體積，又通過加速器產(chǎn)生品質(zhì)性能很好的激光，因此我們想要做出一個(gè)小體積、高性能的短波長(zhǎng)激光器。在去年（本報(bào)告演講時(shí)間為2021年9月），我們把它做出來了：基于激光加速器的X射線自由電子激光。

加速器和激光器技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加緊湊的光源

它通過激光裝置加速電子，把加速器小型化了。目前我們讓設(shè)備的體積小了20倍，還沒有實(shí)現(xiàn)三個(gè)數(shù)量級(jí)的小型化。這是第一次用了激光加速器的電子去產(chǎn)生激光，驗(yàn)證了它的原理。像所有科學(xué)技術(shù)發(fā)展一樣，原理的突破到未來真正的應(yīng)用還有一個(gè)很長(zhǎng)的歷程。我們想要的不僅僅是尺寸的小型化，還希望其他性能的提高。特別是，要實(shí)現(xiàn)更短的伽馬射線激光，加速器和激光器缺一不可?；诩す夂土Ｗ拥南嗷プ饔茫覀兙陀邢Ｍa(chǎn)生伽馬射線激光。

超強(qiáng)短激光產(chǎn)生高亮度伽馬射線源和太赫茲輻射源

要產(chǎn)生兆電子伏特的光子也就是伽馬射線光子，需要電子束跟激光束相互的作用。基于相同的原理，更低的電子能量（毫電子伏特）也是很熱鬧的一個(gè)研究領(lǐng)域，叫太赫茲。也同樣，它的最佳手段也是把兩者來進(jìn)行相互作用。所以，高能量和低能量區(qū)域都離不開這兩個(gè)手段的結(jié)合。

清華大學(xué)的科學(xué)家提出來，這一技術(shù)未來可以做一個(gè)車載、總長(zhǎng)12米的伽馬射線激光源（緊湊型準(zhǔn)單能伽馬源VIGAS）。

清華大學(xué)提出的的車載移動(dòng)伽馬光源方案

伽馬光子的能量比醫(yī)用的X光子的能量要高上100倍，并且還有很高的通量。

沒有加速器和激光的配合，我們無法在這樣的體積內(nèi)把儀器做到這一性能。它可以用來檢測(cè)我們一些大型的機(jī)器內(nèi)部的缺陷。同時(shí)，這一技術(shù)引導(dǎo)我們走向第五代光源。

幾代光源的歷史發(fā)展示意

我們上海光源是第三代光源，北京同步輻射是第一代同步輻射光源，合肥同步光源是第二代，現(xiàn)在北京和合肥正在建設(shè)第四代光源?；诩す夂碗娮拥南嗷サ淖饔媚軌蛱岢鲆粋€(gè)更完美的解決方案，稱為第五代光源。這是大家寄予厚望的一個(gè)未來發(fā)展的方向。

第五代光源跟現(xiàn)在光源相比有很多優(yōu)勢(shì)，比如作為激光，它具有很好的相干性的同時(shí)又有非常好的穩(wěn)定性，因?yàn)樗梢蚤L(zhǎng)期把電子儲(chǔ)存在環(huán)里面，相當(dāng)于結(jié)合了第四代的光源和自由電子激光的優(yōu)點(diǎn)。 

上面提到的是我們新技術(shù)能夠產(chǎn)生的新的高性能設(shè)備，有了這樣的設(shè)備之后我們就能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣的科學(xué)目標(biāo)。自上海光源2009年建成以來，已經(jīng)有三萬多名科學(xué)家利用它做出了很多非常重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

最新、最重要的一個(gè)例子就是2020年初新冠疫情爆發(fā)以后，上海光源得到了全世界第一組COVID-19的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。有了它的蛋白三維結(jié)構(gòu)之后，就可以去進(jìn)行藥物的篩選。研發(fā)全新的藥物要經(jīng)歷很長(zhǎng)的周期，我們可以在已有的藥物篩選，將它的分子結(jié)構(gòu)去跟新冠的病毒的主蛋白酶的結(jié)構(gòu)做分析，看看能否找到靶點(diǎn)。

光源給物理學(xué)家、化學(xué)家、材料科學(xué)家、生命科學(xué)家、藥物學(xué)家提供了超級(jí)顯微鏡。光源的建造就是為了向科學(xué)目標(biāo)服務(wù)。 

如此強(qiáng)大的激光設(shè)備能夠創(chuàng)造如此極端的能量條件，讓我們有可能去理解一些基本的物理學(xué)的問題。  

XFEL與100PW超強(qiáng)超短激光相結(jié)合，可提供探索強(qiáng)場(chǎng)QED真空、QED等離子體等重大基礎(chǔ)科學(xué)問題的條件，將XFEL的科學(xué)探索領(lǐng)域向下突破到原子核、真空體系，向上拓展到天體物理與宇宙學(xué)?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)顯著增加。

《科學(xué)》雜志曾提出一個(gè)所謂“125個(gè)科學(xué)問題”，其中有一個(gè)問題就是：激光最強(qiáng)能夠有多強(qiáng)？可能我們的觀眾也想問，我們建了羲和一號(hào)、羲和二號(hào)，從十個(gè)太陽變成一百個(gè)太陽，難道以后還要建一千個(gè)太陽這樣的裝置嗎？激光的強(qiáng)度有沒有極限？答案是：有的。原因就來自量子場(chǎng)論認(rèn)為真空并不是空的。量子場(chǎng)論的觀點(diǎn)認(rèn)為，真空是一片粒子的海洋，不斷有正反粒子對(duì)產(chǎn)生和湮滅。這個(gè)現(xiàn)象在之前并沒有實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證過。一個(gè)月前（本報(bào)告演講時(shí)間為2021年9月）在美國的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家們用重離子加速器把金離子加速到兩千億個(gè)電子伏特，然后讓兩個(gè)金核對(duì)撞，并且故意讓它偏一點(diǎn)使得原子核之間無法撞到。但是金原子核周圍有非常強(qiáng)的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)可以等效為光子云，然后他們使得光子云對(duì)撞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了正負(fù)電子對(duì)。這一實(shí)驗(yàn)是利用沒有靜止質(zhì)量的光子（能量）產(chǎn)生了有靜止質(zhì)量的物質(zhì)。其實(shí)愛因斯坦的質(zhì)能方程是預(yù)言過這一結(jié)果，因?yàn)?img src="http://ihghtimes.com/file/upload/202205/05/1356365415.png" title="" alt=""/>。能量（）在左邊，光速的平方在右邊，由于光速很大，所以質(zhì)量變成能量比較容易，比如核能，但反之則很困難。需要巨大的能量才能創(chuàng)造很小的質(zhì)量。因此直到一個(gè)月前布魯克海文實(shí)驗(yàn)室才宣布首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒有實(shí)現(xiàn)真正的光子對(duì)撞，而是所謂虛光子的對(duì)撞。

而我們當(dāng)初設(shè)計(jì)“羲和二號(hào)”的時(shí)候就想回答這個(gè)問題，是不是當(dāng)激光足夠強(qiáng)的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量。但是實(shí)驗(yàn)裝置如此龐大，導(dǎo)致我們要花七年時(shí)間，自2018年動(dòng)工要到2025年才能建成。早在2017年，CERN已經(jīng)得到過類似的結(jié)果，但最近布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)更加有說服力。這更加堅(jiān)定了我們的信心：這個(gè)方向看來是正確的，也許還有一些規(guī)律不為我們所知。

如果是光強(qiáng)到一定程度就開始產(chǎn)生有質(zhì)量的粒子，那么光能量就達(dá)到了上限。我們想知道這個(gè)上限到底是多少？這個(gè)實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)來自量子電動(dòng)力學(xué)，理論預(yù)言很強(qiáng)的電磁場(chǎng)會(huì)使得真空具有雙折射的能力。雙折射現(xiàn)象在生活中早就得到了很多應(yīng)用，例如看3D電影用的眼鏡。 

論文報(bào)道了對(duì)一個(gè)外號(hào)為“七劍客 (Magnificent Seven)”的中子星的可見光觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)偏振度大約為16%的線性極化現(xiàn)象, 聲稱第一次發(fā)現(xiàn)了量子電動(dòng)力學(xué)預(yù)言的真空雙折射現(xiàn)象：在強(qiáng)磁下的作用下，真空會(huì)表現(xiàn)得像雙折射晶體一樣，使得光子的偏振在傳播過程中產(chǎn)生改變。

2017年的時(shí)候，天文學(xué)家通過望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，到達(dá)地球的中子星發(fā)出的光不是各向同性的。這與大家之前的推測(cè)不一致。而量子電動(dòng)力學(xué)可以解釋這個(gè)現(xiàn)象：中子星周圍有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，光在磁場(chǎng)中發(fā)生了雙折射，因此失去了各向同性。而我們當(dāng)時(shí)就想用我們的“羲和二號(hào)”在實(shí)驗(yàn)上把這些物理過程搞清楚。

那么“羲和二號(hào)”能不能到達(dá)我們光強(qiáng)的極限？施溫格是量子電動(dòng)力學(xué)的另一位奠基者，他提出了施溫格電場(chǎng)的極限：在（瓦特/平方米）這么強(qiáng)的電磁場(chǎng)中，真空就會(huì)產(chǎn)生雙折射。但是“羲和二號(hào)”只能夠達(dá)到到（瓦特/平方米）量級(jí)。所以當(dāng)時(shí)我們就提出了一個(gè)非常巧妙的設(shè)計(jì)：把“羲和”一號(hào)和二號(hào)的光作用在一起。

根據(jù)當(dāng)時(shí)理論計(jì)算，“羲和二號(hào)”可以對(duì)真空造成微弱的影響。它雖然離（瓦特/平方米）還差了一萬倍，但是由于一些漲落的效應(yīng)，還是可以對(duì)真空有所影響。測(cè)量如此微弱的效應(yīng)也十分困難。但因?yàn)槲覀冇?.1納米波長(zhǎng)的激光，比常規(guī)的微米激光波長(zhǎng)小了四個(gè)量級(jí)。而我們測(cè)量的靈敏度跟波長(zhǎng)的平方反比，意味著波長(zhǎng)小一萬倍，我的靈敏度就會(huì)提高一億倍，這才讓測(cè)量如此微弱的效應(yīng)成為可能。整體思路也就是用“羲和二號(hào)”的光來誘導(dǎo)真空微弱的雙折射，然后使用基于加速器的納米波激光——非常靈敏的探針把它測(cè)出來。虛光子的實(shí)驗(yàn)已有，希望我們實(shí)光子的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得更多有意思的結(jié)果。

這是我們實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)圖。這是在真空室當(dāng)中，很粗的紅色光柱就是激光，我們要把它聚焦到五微米左右來誘導(dǎo)真空的雙折射。如果這一現(xiàn)象發(fā)生了，水平方向的加速器納米激光光源就能夠把它測(cè)出來。這將來會(huì)是一個(gè)地標(biāo)性的建筑，很漂亮，就在羅山路立交橋的東北角，但需要等到2025年左右才能實(shí)現(xiàn)。

如果“羲和二號(hào)”已經(jīng)能看到微弱的真空雙折射，是不是我們就到達(dá)了激光強(qiáng)度的極限？雖然距離施溫格給出的上限還差一萬倍，以后我們是否還做更大的激光器？我們一直也在問自己這個(gè)問題。最近的理論研究發(fā)現(xiàn)，基本上可以認(rèn)為“羲和二號(hào)”已經(jīng)達(dá)到了人類的光強(qiáng)的極限了。因?yàn)閷?shí)際上我們實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中能夠?qū)崿F(xiàn)的真空并不完美。激光傳播、經(jīng)過反射鏡反射，然后聚焦的過程都會(huì)使得材料被電離，因此我們根本做不到完美的沒有粒子的真空。哪怕在最佳的真空的條件下，如此大的能量，哪怕是少量的粒子都會(huì)導(dǎo)致雪崩效應(yīng)。所以做更大的激光器其實(shí)沒有必要了，但可以提高激光器的輸出頻率和持續(xù)輸出能力。

“羲和二號(hào)”由于它能量很大，現(xiàn)在的技術(shù)只能夠讓它大概兩個(gè)小時(shí)發(fā)出一次激光。未來或許可以進(jìn)一步提高它的重復(fù)頻率，就可以測(cè)更多的現(xiàn)象。但結(jié)論還是，我們基本上接近找到了人類可以產(chǎn)生光強(qiáng)的極限。

但是今年科學(xué)家們?cè)谖鞑販y(cè)量到了宇宙中到達(dá)地球的PeV（電子伏特）高能光子。我們想知道宇宙中的什么加速器能夠讓光子達(dá)到這個(gè)能量。激光器已經(jīng)無法達(dá)到這樣能量的光子了，還是要靠光和帶電的粒子的相互作用。在相對(duì)論框架下面，帶電粒子與光的相互作用能夠把等效的光強(qiáng)呈數(shù)量級(jí)的提升。這樣的技術(shù)進(jìn)一步能深入我們?nèi)祟悓?duì)更高的光強(qiáng)下的物理的認(rèn)知。

同時(shí)能量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量的過程，這與宇宙的起源相關(guān)的一些問題是分不開的。比如宇宙早期正反物質(zhì)同時(shí)被產(chǎn)生，然后湮滅。但今天我們找不到反物質(zhì)，是什么機(jī)制導(dǎo)致了這樣的不對(duì)稱？而我們的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)光子，它會(huì)轉(zhuǎn)化為正電子跟負(fù)電子，因此就提供了一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來研究同等數(shù)量的正反物質(zhì)的湮滅過程。在真空中，正反物質(zhì)產(chǎn)生湮滅的時(shí)間窗口是秒，我們把它叫仄秒。所以我們探測(cè)手段要跟得上，能夠去測(cè)這么快發(fā)生的變化，這也會(huì)推動(dòng)我們整個(gè)超快科學(xué)的發(fā)展。

如果我們將來能很好地掌握反物質(zhì)，也許我們可以把它作為一個(gè)能量的來源。霍金當(dāng)年有一個(gè)很好的設(shè)想：利用正反物質(zhì)湮滅產(chǎn)生的能量作為星際航行的燃料。我們?cè)O(shè)想也許未來我們可以通過激光實(shí)現(xiàn)一個(gè)反物質(zhì)的發(fā)生器，當(dāng)然這都是在我們對(duì)反物質(zhì)的認(rèn)識(shí)有進(jìn)一步深入理解之后。