而我们当初设计“羲和二号”的时候就想回答这个问题,是不是当激光足够强的时候,就会产生质量。但是实验装置如此庞大,导致我们要花七年时间,自2018年动工要到2025年才能建成。早在2017年,CERN已经得到过类似的结果,但最近布鲁克海文实验室的实验更加有说服力。这更加坚定了我们的信心:这个方向看来是正确的,也许还有一些规律不为我们所知。 如果是光强到一定程度就开始产生有质量的粒子,那么光能量就达到了上限。我们想知道这个上限到底是多少?这个实验的理论依据来自量子电动力学,理论预言很强的电磁场会使得真空具有双折射的能力。双折射现象在生活中早就得到了很多应用,例如看3D电影用的眼镜。 论文报道了对一个外号为“七剑客 (Magnificent Seven)”的中子星的可见光观测,发现偏振度大约为16%的线性极化现象, 声称第一次发现了量子电动力学预言的真空双折射现象:在强磁下的作用下,真空会表现得像双折射晶体一样,使得光子的偏振在传播过程中产生改变。 2017年的时候,天文学家通过望远镜观测发现,到达地球的中子星发出的光不是各向同性的。这与大家之前的推测不一致。而量子电动力学可以解释这个现象:中子星周围有很强的磁场,光在磁场中发生了双折射,因此失去了各向同性。而我们当时就想用我们的“羲和二号”在实验上把这些物理过程搞清楚。 那么“羲和二号”能不能到达我们光强的极限?施温格是量子电动力学的另一位奠基者,他提出了施温格电场的极限:在 (瓦特/平方米)这么强的电磁场中,真空就会产生双折射。但是“羲和二号”只能够达到到(瓦特/平方米)量级。所以当时我们就提出了一个非常巧妙的设计:把“羲和”一号和二号的光作用在一起。根据当时理论计算,“羲和二号”可以对真空造成微弱的影响。它虽然离 (瓦特/平方米)还差了一万倍,但是由于一些涨落的效应,还是可以对真空有所影响。测量如此微弱的效应也十分困难。但因为我们有0.1纳米波长的激光,比常规的微米激光波长小了四个量级。而我们测量的灵敏度跟波长的平方反比,意味着波长小一万倍,我的灵敏度就会提高一亿倍,这才让测量如此微弱的效应成为可能。整体思路也就是用“羲和二号”的光来诱导真空微弱的双折射,然后使用基于加速器的纳米波激光——非常灵敏的探针把它测出来。虚光子的实验已有,希望我们实光子的实验能够获得更多有意思的结果。这是我们实验装置的设计图。这是在真空室当中,很粗的红色光柱就是激光,我们要把它聚焦到五微米左右来诱导真空的双折射。如果这一现象发生了,水平方向的加速器纳米激光光源就能够把它测出来。这将来会是一个地标性的建筑,很漂亮,就在罗山路立交桥的东北角,但需要等到2025年左右才能实现。 “羲和二号”是否是强激光的极限? 如果“羲和二号”已经能看到微弱的真空双折射,是不是我们就到达了激光强度的极限?虽然距离施温格给出的上限还差一万倍,以后我们是否还做更大的激光器?我们一直也在问自己这个问题。最近的理论研究发现,基本上可以认为“羲和二号”已经达到了人类的光强的极限了。因为实际上我们实验室当中能够实现的真空并不完美。激光传播、经过反射镜反射,然后聚焦的过程都会使得材料被电离,因此我们根本做不到完美的没有粒子的真空。哪怕在最佳的真空的条件下,如此大的能量,哪怕是少量的粒子都会导致雪崩效应。所以做更大的激光器其实没有必要了,但可以提高激光器的输出频率和持续输出能力。 |