强大的激光预示着人类新冒险时代的到来

要想直接观测恒星和行星中心的极端条件，还有很长的路要走。利用高能激光，日本的物理学家正在做一件退而求其次的事情——他们在实验室里创造了类似的条件。

这些激光产生的总能量并不是特别惊人，但由于它在时间和空间上被高度压缩，它产生了令人难以置信的能量。当这些高功率激光脉冲与物质相互作用时，会产生惊人的高温和高压。

大阪大学激光工程研究所所长Ryosuke Kodama解释说:“我们激光器的能量通常不到一千卡，大约相当于一个10瓦LED灯泡在大约10分钟内发出的能量。”

“但由于能量集中在极短的时间内并压缩到一个微小的空间中，有可能在一个几微米到几毫米的区域内产生大约1000万个大气压的固体压力和数亿个大气压的等离子体压力，”他补充道。

实验室里的天体物理学

这些极端条件也可以模拟天体物理学中遇到的情况。例如，该研究所的研究人员正在使用激光来探索磁重联——一种将被压抑的磁能转化为高能粒子流的方法。这一过程驱动了天体物理学中的几次爆发行为，如超新星爆炸和强大的太阳耀斑，这些行为有时会破坏地球上的通信。

也有可能利用产生的高压来探索行星内部的情况。Kodama说:“由于地球中心的压力约为500万大气压，我们可以使用高功率激光来模拟太阳系中各种行星的内部，以及在其他行星系统中发现的超级地球。”

通过产生更高的压力，物理学家可以研究更多奇异的天体物理现象。“最近，我们一直在使用更强的激光来制造光子压力，这种压力非常强，接近黑洞周围的光子压力，”Kodama说。如此强烈的光与真空相互作用，真空被认为是空的。光的压力也在等离子体中产生了一个强大的加速场。它是一个加速度场，大小相当于黑洞周围的引力场，在引力场中，时空被扭曲，光子被创造出来。

高能激光推动基础物理学研究的另一种方式是研究以接近光速的速度发生的电磁现象，这是爱因斯坦狭义相对论的主导。激光工程研究所的研究人员最近用他们的激光对狭义相对论进行了一项新的严格测试——他们证明了高能电子束周围电场的扭曲与该理论的预测相符。

先进的激光聚变

高功率激光器还有更多实际应用。最雄心勃勃的是研究激光聚变——利用激光通过合并光核来产生能量。

这与为太阳等恒星提供能量的过程相同，由于它不产生任何污染物或放射性废物，因此作为潜在能源极具吸引力。最近，随着2022年12月美国国家点火设施(NIF)的研究人员宣布实现了从核聚变中产生的能量超过用于驱动核聚变的激光能量的重要里程碑，核聚变获得了新的动力。

大阪大学的高功率激光设施是世界上活跃在这一领域的十几个设施之一。特别是，研究人员正在寻求利用聚变热能来产生氢气，将无污染的能源与无污染的燃料结合起来。在一个原理验证项目中，他们希望到2030年通过微型聚变发电系统生产氢气。

虽然核聚变提供了巨大的前景，但Kodama强调采取长期的观点是至关重要的。他将NIF核聚变演示与莱特兄弟的第一次飞行进行了比较，他说，现在谈论商业化飞行还为时过早。

不同的方法

大阪大学的一个独特重点是追求在短时间内连续产生高功率激光脉冲-换句话说，具有高重复率的激光。大多数大型大功率激光设备都专注于实现高峰值功率，但这通常以牺牲重复频率为代价。

“大多数使用大型激光设备的实验都是单发的。虽然增加激光的能量或强度会产生更极端的条件，但由于产生的数据量有限，很难处理高精度的数据，”Kodama解释道。“但通过使用高重复频率的激光，你可以在短时间内收集大量数据，提高数据分析的准确性。”

Kodama指出，通常情况下，高功率激光器的商业应用使用高重复频率，而基础物理研究则使用高峰值功率。但他解释说，现在这种区别与使用机器学习分析大数据的能力无关。Kodama说:“随着数据科学的日益普及，情况正在发生很大变化。”“因此，即使对基础研究来说，高重复频率的激光也很重要。”

为了实现这一方法，激光工程研究所计划建造高功率激光设备，实现比其他设备高10万倍的重复频率。他们已经展示了一项关键的基础技术，每秒可产生100个脉冲。该设施将促进许多不同领域的研究，包括量子材料、激光聚变和量子真空。

对于Kodama来说，真正的魅力在于具有高重复频率的高功率激光器的潜力，以开辟我们宇宙的新前景。他说:“超高压下的量子物质是第三个量子世界，仅次于极小量子世界和极低温量子世界。”“到目前为止，高功率激光的世界一直是经典物理学的世界，但现在有可能在高能密度下打开量子力学的新世界，我希望探索这个新世界。”