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非聚变等离子体科学技术(三)量子等离子体和极端电磁场

已有 2812 次阅读 2015-2-11 13:42 |系统分类:科普集锦

前面都在说等离子体的技术应用,现在我们来说点科学,或者说基本物理。等离子体物理里面其实涉及到现代物理的东西还真不多,因为技术上常规等离子体是经典的,和气体是比较类似的东西。但随着物理学的理论和技术的发展,我们确实已经有了一种量子等离子体。

我们下面说的东西目前还不是非常主流的研究,虽然算是有一点热度,PRLNature Physics上近几年经常出现相关的内容,如果看PRA/PRD/PLB的话就更多了。当然你会奇怪我为什么开始谈论文而不是技术轨迹,原因是这样的:技术进步是有清晰轨迹的,基本可以顺着市场成本这条路线理清,但科学往往是多起源的,很难说到底什么线路才是发展主线。

所以让我们先从一个理论概念开始。电磁场的一个神奇的特点是它是线性的,表现在实验中就是真空中两束光相交的时候,会互不干扰地相互穿过。(你说声音也是这样?你试试把一个信号的威力加大看看?)因为这一点,电磁波传播可以从理论上计算得非常精确。

但是事实上,电磁场并不是真正线性的,因为有量子力学。电子和正电子碰在一起能变成光子然后消失掉,按照量子力学,这种基本过程是可逆的,所以两束光碰到一起,也存在变成电子和正电子的几率。并且因为产生出来的正负电子可以被光子再散射,结果是两束光碰到一起后会互相引起对方的折射。这叫真空双折射。当然这个过程的几率非常小,而且更糟的是两个光子的能量都要大于电子和正电子的静止能量,也就是两束非常强的伽马射线碰在一起才会发生这种事情,所以目前我们还没在实验里面检验这个过程。即使真空双折射(或者叫真空旋光),目前也没有可信的实验证据。

但是原则上,我们也可以用多个光子做同样的事情,比如几百个几千个几万个,当然,理论上很容易估计出来,多光子过程需要光的强度高得多得多,不过,制造强光还是可行的(感谢激光技术!),所以,原理上这事可以检验。

在检验这些之前,有个叫Schwinger的人,他把这个想法发展了一步:在他那个时代,强光是做不出来的(那是在激光出现之前10年左右的事情,是现代超强激光技术出现前四十年的事情),但是他问自己,为什么非要用光,我用静电场是不是能做成同样的事情?然后他发展了一种“理论”,发现还真是可能的。(理论二字加引号是因为实际上他是给很久以前Dirac发展的理论做了一套求解技术,能在某些条件下把方程求出结果来。千万不要以为他是搞了个无所不包的语言框架什么的)

Schwinger计算涉及到一定的场论和泛函技巧,所以我这里不做详细解释了,总之概念上大概是这样:从量子场论角度来看,真空并不是绝对空的,存在某些零点涨落,或者说“一堆电子和正电子的虚粒子不断地冒出来又消失”,因为能量守恒的影响,这些虚粒子只能存在极短的时间,就要重回虚无并且把能量交还给空间。但是假如在空间中存在一个极强的电场,电场会推动这些虚粒子运动一点点距离,从而对虚粒子做功,在电场超过某个强度极限后,做的功超过了电子和正电子的质量,于是虚粒子就可以不再消失了:从空间借来的能量已经偿还(空手套白狼!),于是,从一无所有的空间中直接冒出一对正负电子。你会问这个能量最后到底谁来提供?当然是谁提供电场谁输出能量了。

听起来很有意思对吧?这个行为叫“真空击穿”,因为原理上它很像绝缘体加上极高电压后被电击穿的过程。很明显你会看到,这就是在我们的宇宙中允许的最强的电场,任何试图超过这个电场的行为都是毫无意义的,因为能量立刻就会转化为电子正电子消耗掉。

但是实际上并不如此简单,因为Schwinger做了两个计算:一个是静电场,一个是平面波,然后他发现静电场会产生电子对,而平面波却不会。可是就像你知道的那样,真实存在的电磁波这两者都不是,那么真正的电磁波会产生电子对吗?对不起,Schwinger表示,实际上的电磁波,他算不出来,“留待后人”。不过静电场的结果是可以验证的,比如原子核电场如果原子序数大于190,基本上就超过Schwinger公式了,所以如果用对撞机让俩超重原子核撞一起,就可能搞出些神奇的电子-正电子对来,虽然这个实验很难做。至于用电磁波做实验,Schwinger估计没想过,因为他计算了一下发现如果是用可见光,那么这光的强度超过1e29瓦特每平方厘米,对,290.

现在我们要一下子跳到1988年。大约在这个时候,激光技术有了一个新的发展,就是所谓的啁啾压缩技术。想法蛮好玩的,就是用一种方法可以把激光拉伸或者压缩:本来几百个皮秒的光脉冲可以压缩到十几个飞秒,能量不变,所以强度一下子就大起来了。接下来20年间,大家都在使劲玩这个戏法,慢慢地把激光聚焦焦点处的强度提高到了1e22瓦特每平方厘米。

所以有人想起了Schwinger的计算,然后开始问,如果真的把激光聚焦到1e29会怎样?会真的像Schwinger说的那样直接冒出电子正电子吗?还是其实Schwinger的计算是错的,包括Dirac的电子-正电子理论都是错的?实验家倒是不太在意这些,但是他们觉得,真搞出一个“达到宇宙极限”的设备也是很有成就感的一件事情。当然,直接聚焦到1e29目前是不可能的,技术上做不到,甚至到1e25都不可能,但是我们可以用两束激光对撞,因为相对论的影响,在其中一个激光看来,对方的强度是大大增强了。

但是在这之前,理论家就发现了一个新的问题,Schwinger的计算只是在极强激光下面可能发生的一个过程。实际上有另外一些更容易发生的过程,首先,实验家绝对无法做出真正的真空,里面总难免有些残余气体,气体里面会有电子。当一个电子落进激光中的时候,它开始发生振动和旋转,然后可以辐射出电磁波,这就是同步辐射过程,做加速器的非常熟悉。但当激光非常强的时候,电子回转发射的不再是常规的微波或者可见光,而是伽马光子,并且不是连续辐射,而是一次一个光子地扔出去,也就是电子快速地把激光的能量转换成伽马射线;然后伽马射线和激光碰撞,就有点类似前面说的光子光子碰撞了,可以出来电子正电子,所以这是个雪崩过程,很快空间中就充斥着电子,正电子,伽马光子以及作为背景的激光。然后这构成了一种新的等离子体:真空-电子-正电子-光子-等离子体(VEPPP)。这个东西是等离子体,但最神奇的特点是,它的主控方程式是量子力学的。事实上,有些理论家进行的仿真计算表明,在1e25左右的强度下,VEPPP就会成为激光碰撞的主导行为。

所以你明白了吧,我们只要把目前的激光强度提高两个量级(靠激光脉冲对撞),我们就可以看到某些全新的东西,当然你会说这东西有什么用?暂时可能没用,但科学上的东西并不是看技术上有什么现实应用。对科学而言,由于基于相对论和量子力学的量子电动力学(QED)是到目前为止最可靠的物理理论,我们一直想知道它究竟是不是在某些情况下是错的,而VEPPP就提供了一个最直接的找这个理论岔子的方法。如果我们能从理论上算出有某些事情,而实验上没有发现,那就可以确定这个理论有问题。特别是,理论上我们知道麦克斯韦方程组和相对论的Lorentz-Abraham-Dirac运动方程是一定有问题的(由于所谓的辐射反作用困难),但是我们又没有一个真正QED的对应运动方程,VEPPP的研究,可以帮我们了解这个问题的解到底在哪。甚至,原则上我们可以用极强激光下的VEPPP的研究探测新的物理:比如电荷为半个基本电荷的东西是否存在?

从另一个角度来说,VEPPP也不是真的没有用,事实上它还真是和某些实际问题联系在一起,只不过,从科学角度来说,这些并没有根本的理论疑难那么重要。

目前在东欧制造的一个终极光源”Extreme Light infrastructure”里面就有一个部分用来做这种极限光强下的物理实验,当然,没有应用型实验那么优先就是了。开会的时候,一位老院士抱怨说,我们做多少研究,最后实验还是让欧洲人做,为什么我们自己不。。。好吧,这不是我的问题。

最后让我们用一个古怪的“创想”文章来作为这一节的结尾,这是一篇发表在Nature Photonics上的文章,就像你知道的那样,Nature系列的期刊比较喜欢各种神奇的idea,倒不是太重视实用性和理论深度。这个idea是这样:我们现在还没办法用光子对撞产生出电子正电子,因为光子的能量和光强都太低了,这个作者建议大家这么干:首先用加速器造一束电子束,轰击到黄金上,这时候电子会辐射出gamma光子,这是一种一束光;然后做一个类似核弹或者受控核聚变那样的空腔,空腔利用各种方法加热到一千万度,于是空腔里面就充满了热辐射的光子;现在把gamma光子射进空腔,我们看看会不会有电子和正电子出来,就能验证光子碰撞理论对还是不对了。OK,可行性和成本是另外的问题,毕竟如果能证明QED是错的,那比做一万种发明还要重要。

 

 



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