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，PRL和Nature 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，29个0.

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。