يخطط الفيزيائيون لبناء ليزرات ذات قوة هائلة ، قادرة على كسر الفضاء المفتوح

داخل مختبر مكتظ في شنغهاي ، الصين ، سجل الفيزيائي روكسين لي وزملاؤه أرقامًا قياسية في أقوى نبضات الضوء التي شهدها العالم على الإطلاق. في قلب الليزر الخاص بهم يسمى مرفق الليزر Superintense Ultrarafast Shanghai (SULF) هو عبارة عن اسطوانة واحدة من الياقوت المغطى بالتيتانيوم بحجم صفيحة كبيرة. بعد أن يضيء الضوء في البلورة ، يمر عبر نظام من العدسات والمرايا ، ويتحول إلى نبضات قوة لا تصدق. في عام 2016 ، وصل التثبيت إلى 5.3 PW (بيتوات ، 10 ¹⁵ واط). ومع ذلك ، في شنغهاي ، لا يخرج الضوء في كل بداية ليزر. على الرغم من أن هذه الدوافع قوية للغاية ، إلا أنها قصيرة للغاية أيضًا - كل منها لا تدوم أكثر من تريليون من الثانية. يقوم الباحثون الآن بتحديث الليزر الخاص بهم ويأملون في كسر الرقم القياسي الخاص بهم بحلول نهاية هذا العام ، مما يخلق نبضة 10-PW ، والتي تبلغ 1000 مرة قوة جميع الشبكات الكهربائية في العالم.

لكن طموحات المجموعة لا تنتهي عند هذا الحد. هذا العام ، على وشك أن يبدأ لي وزملاؤه في بناء ليزر 100-PW تسمى محطة الضوء المتطرف (SEL). بحلول عام 2023 ، يجب أن يكون قادرًا على إطلاق نبضات في غرفة 20 مترًا تحت الأرض ، وتعريض الهدف لدرجات حرارة وضغوط شديدة غير موجودة على الأرض - سيكون هذا احتفالًا لجميع علماء الفيزياء الفلكية وعلماء المواد. أيضًا ، سيكون الليزر قادرًا على إظهار طريقة جديدة لتسريع الجسيمات ، والتي ستجد تطبيقها في الطب والفيزياء عالية الطاقة. لكن الشيء الأكثر إثارة للاهتمام ، وفقًا لـ Lee ، هو إظهار كيف يمكن للضوء أن يسحب الإلكترونات وتوائمها من المادة المضادة ، البوزيترونات ، من الفضاء الفارغ - تُعرف هذه الظاهرة باسم "تمزق الفراغ". سيكون هذا عرضًا مذهلاً لإمكانية تبادل المادة والطاقة ، والتي تفترض معادلة ألبرت أينشتاين الشهيرة ، E = mc ² . على الرغم من أن الأسلحة النووية معروفة بتحويل المادة إلى كمية هائلة من الحرارة والضوء ، إلا أن العملية العكسية ليست سهلة الإطلاق. لكن لي يقول أن SEL يمكنها التعامل معها. يقول: "سيكون الأمر مثيرًا للغاية". "هذا يعني أنه يمكنك إنشاء شيء من لا شيء".

يقول فيليب باكسبوم ، الفيزيائي النووي بجامعة ستانفورد ، إن فريقًا صينيًا من العلماء "يعمل بالتأكيد كطليعة" على الطريق إلى 100 PW. لكن لديهم ما يكفي من المنافسين. على مدى السنوات القليلة القادمة ، سيتم تشغيل أجهزة 10-PW في رومانيا وجمهورية التشيك كجزء من البحث الأوروبي Extreme Light Infrastructure ، على الرغم من أن هذا المشروع قد أخر مؤخرًا بناء ليزر 100-PW. طور الفيزيائيون الروس إعداد ليزر بقدرة 180 باوند لمشروع Exawatt Center for Extreme Light Studies ( XCELS ) [ لم يتم تطويره فقط - المشروع موجود بالفعل في قائمة المشاريع العملاقة 2010-2020 / تقريبًا. perev. ] ، وقدم اليابانيون اقتراحًا لإنشاء جهاز بسعة 30 PW.

انسحب علماء أمريكيون من منافسة الطاقة العالية ، وفقًا لدراسة نشرت الشهر الماضي من قبل الأكاديميات الوطنية للعلوم والهندسة والطب ، وهي مجموعة برئاسة Bucksbaum. تدعو هذه الدراسة وزارة الطاقة الأمريكية إلى التخطيط لمحطة واحدة عالية الطاقة على الأقل ، وهذا يعطي الأمل للباحثين من جامعة روتشستر في نيويورك الذين يطورون خططًا لبناء ليزر 75-PW ، خط مكبر الصوت البصري (OPAL). سوف تكون قادرة على الاستفادة من أشعة الليزر من OMEGA-EP ، واحدة من أقوى الليزر في الولايات المتحدة. قال جوناثان زوغل ، الذي يقود مشروع أوبال: "تقرير الأكاديميات يشجع على العمل".

يستخدم الليزر ، الذي تم اختراعه في الستينيات ، نظام مضخة خارجي ، مثل مصباح الفلاش ، لإثارة الإلكترونات في ذرات المادة الكامنة وراء الليزر - عادة ما يكون غازًا أو بلوريًا أو أشباه الموصلات. عندما يعود كل من هذه الإلكترونات إلى حالة غير مستثارة ، ينبعث منها فوتونًا ، والذي بدوره يحفز إلكترونًا آخر على إطلاق فوتون ، وهكذا. على عكس أشعة الضوء المتباينة ، تنتج الفوتونات في الليزر تيارًا كثيفًا مع طول موجي محدد.

نظرًا لأن الطاقة هي الطاقة لكل وحدة زمنية ، فهناك طريقتان لتعظيمها: زيادة طاقة الليزر أو تقليل مدة النبض. في السبعينيات ، ركز باحثون من مختبر ليفرمور الوطني (LLNL) في كاليفورنيا على الخيار الأول ، حيث زادوا طاقة الليزر عن طريق إعادة توجيه الحزم من خلال بلورات توليد إضافية تتكون من زجاج مخدر النيوديميوم. ومع ذلك ، يمكن أن تتسبب الأشعة فوق شدة معينة في إتلاف المكبرات. لتجنب ذلك ، كان على المختبر زيادة حجمه إلى عشرات السنتيمترات في القطر. ولكن في عام 1983 ، حقق جيرارد مورو ، الذي يعمل الآن في مدرسة البوليتكنيك في باريس ، وزملاؤه اختراقة. لقد أدرك أن نبضات الليزر القصيرة يمكن أن تتمدد بمرور الوقت - مما يجعلها أقل كثافة - باستخدام صريف حيود ، يوزع النبض وفقًا لألوانه المكونة. بعد تضخيم الضوء إلى طاقات أعلى ، يمكن إعادة ضغطه باستخدام شبكة حيود ثانية. والنتيجة هي نبض أكثر قوة لا يتلف مكبر الصوت.



أصبح تضخيم البقول المنتفخة أساس الليزر عالي الطاقة. في عام 1996 ، سمحت لباحثي LLNL بالحصول على أول نبضة بيتاوات في العالم باستخدام ليزر نوفا. منذ ذلك الحين ، عزز LLNL طاقة الليزر في محاولة لتحقيق الاندماج النووي. يولد مركب الإشعال الوطني نبضات تحتوي على 1.8 ميجا جول من الطاقة في محاولة لتسخين كبسولات الهيدروجين الصغيرة لتوليف درجات الحرارة. ومع ذلك ، فإن هذه النبضات طويلة نسبيًا ، ولا تزال تصل إلى قوة لا تزيد عن 1 PW.

لزيادة الطاقة ، لجأ العلماء إلى المجال الزمني للبحث: يحاولون حزم طاقة النبض في فترات زمنية أقصر بشكل متزايد. نهج واحد هو تضخيم الضوء في بلورات الياقوت مع إضافة التيتانيوم ، والتي تنتج الضوء مع انتشار تردد واسع. في كاميرا SLR ، تنعكس هذه النبضات ، وتقفز هنا وهناك ، ويمكن القيام بذلك بحيث بالنسبة للجزء الأكبر من طول النبضة ، تدمر مكونات التردد الفردية بعضها البعض ، بينما تضخم بعضها البعض على جزء صغير من النبض بطول عدة عشرات فقط من الفيمتو ثانية. إذا قمت بضخ هذه النبضات بطاقة عدة مئات من الجول ، يمكنك الحصول على طاقة ذروة تبلغ 10 PW. هذه هي الطريقة التي يمكن بها لـ SULF وغيرها من أجهزة الليزر المستندة إلى الياقوت تحطيم الأرقام القياسية في الطاقة باستخدام المعدات التي تتناسب مع غرفة كبيرة تبلغ قيمتها عشرات الملايين من الدولارات فقط - على الرغم من حقيقة أن مجمع الاشتعال الوطني يكلف 3.5 مليار دولار ويحتل مبنى من عشرة طوابق مع ثلاثة مربعات لكرة القدم الحقول.

تتطلب زيادة قوة النبض بترتيب من 10 PW إلى 100 PW المزيد من الحيل. أحد الأساليب هو زيادة طاقة النبض من مئات إلى آلاف الجول. لكن أشعة الليزر التي تعتمد على الياقوت مع التيتانيوم بالكاد تصل إلى مثل هذه الطاقات ، حيث أن البلورات الكبيرة التي لا تعاني من قوى عالية تميل إلى بث الضوء بزاوية قائمة إلى الشعاع ، وبالتالي إهدار الطاقة. لذلك ، علّق العلماء من مشاريع SEL و XCELS و OPAL آمالهم على مكبرات الصوت البارامترية. يأخذون نبضًا ممتدًا بواسطة صريف حيود ، ويرسلونه إلى بلورة اصطناعية غير خطية ، حيث يمكن إرسال طاقة شعاع الضخ الثاني إلى النبض. إعادة ضغط نبض الطاقة العالية الناتج يرفع طاقته.

تتمثل إحدى الاحتمالات للاقتراب من علامة 100 PW في الجمع بين عدة نبضات - أربع نبضات من 30 PW لكل منها في حالة SEL وعشرات نبضات من 15 PW في حالة XCELS. لكن مجرد تطبيق نبضات تدوم بضع مرات فقط سيكون "صعبًا جدًا" ، كما يقول اختصاصي الليزر في شركة LNLL كونستانتين هافنر. ويقول إن الاهتزاز الطفيف أو تغير درجة الحرارة يمكن أن يرفضهما. سيحاول أوبال توليد نبضة 75-PW باستخدام شعاع واحد.

يرى Muro طريقة مختلفة لتحقيق قوة 100 PW: إضافة مرحلة ثانية من ضغط النبض. يقترح استخدام أغشية بلاستيكية رقيقة من أجل توسيع نطاق النبضات بقوة 10 PW ، ثم ضغط هذه النبضات لبضع فمتوثانية من أجل زيادة الطاقة بشكل حاد إلى 100 PW.

عندما يحقق مبدعو الليزر هدفهم في القوة ، سيواجهون تحديًا آخر: تركيز شعاع دقيق للغاية. يولي العديد من العلماء المزيد من الاهتمام ليس للطاقة الكلية ، ولكن للكثافة - الطاقة لكل وحدة مساحة. إذا حققت تركيزًا أدق ، فستزداد الكثافة. إذا كان من الممكن تركيز نبضة 100-PW على مساحة 3 ميكرومتر ، كما يخطط لي للقيام به على SEL ، فإن كثافة الشعاع في هذه المنطقة ستصل إلى 10 ²⁴ لكل سم ² - وهذا هو 25 مرة من الحجم ، أو 10 تريليون تريليون مرة أكثر من تلك وصول ضوء الشمس إلى الأرض.

هذه الشدة ستفتح الطريق لكسر الفراغ. وفقًا لنظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية ، التي تصف تفاعل المجالات الكهرومغناطيسية مع المادة ، فإن الفراغ ليس فارغًا تمامًا ، كما تدعي الفيزياء الكلاسيكية. على نطاقات زمنية صغيرة للغاية ، تظهر أزواج الإلكترونات والبوزيترونات من أي مكان بسبب عدم اليقين المتأصل في ميكانيكا الكم. بسبب جاذبيتها المتبادلة ، فإنها تقضي على بعضها البعض على الفور تقريبًا.

لكن الليزر شديد الكثافة ، من حيث المبدأ ، يمكن أن يفصل هذه الجسيمات قبل أن تتصادم. مثل أي موجة كهرومغناطيسية ، تحتوي شعاع الليزر على مجال كهربائي متذبذب. مع زيادة الشدة ، تزداد قوة المجال الكهربائي أيضًا. بقوة تبلغ 10 ²⁴ وات / سم ^{2 ،} سيكون المجال قويًا بما يكفي لبدء كسر الجذب المتبادل بين بعض أزواج الإلكترون والبوزترون ، مثل ألكسندر ميخائيلوفيتش سيرجييف ، المدير السابق لمعهد الفيزياء التطبيقية التابع لأكاديمية العلوم الروسية في نيجني نوفغورود ، وهو الآن رئيس RAS. سوف يهز مجال الليزر هذه الجسيمات ، مما يؤدي إلى انبعاث موجات كهرومغناطيسية - في هذه الحالة ، أشعة غاما. ستولد هذه الأشعة أزواجًا جديدة من الإلكترونات البوزيترونية ، وما إلى ذلك ، مما سيؤدي إلى سلسلة من الجسيمات والإشعاع التي يمكن اكتشافها. يقول سيرجييف: "ستكون فيزياء جديدة تمامًا". ويضيف أن طاقة فوتونات جاما ستكون كافية لجلب الذرات إلى حالة متحمسة ، وبالتالي سيولد فرع جديد من الفيزياء "الضوئيات النووية" - استخدام الضوء المكثف للتحكم في العمليات النووية.


يمكن لمضخمات OMEGA-EP في جامعة روتشستر ، المضاءة بمصابيح كهربائية ، تشغيل ليزر أمريكي عالي الطاقة

تتمثل إحدى طرق كسر الفراغ في تركيز شعاع ليزر واحد على منطقة فارغة في غرفة التفريغ. ولكن سيكون من الأسهل اصطدام شعاعين ، لأن هذا يزيد من قيمة الزخم اللازم لتوليد الكتلة للإلكترونات والبوزيترونات. في SEL ، لن تتصادم الفوتونات مباشرة. أولاً ، ستقوم النبضات بطرد الإلكترونات من الهيليوم. ثم تنعكس الفوتونات الأخرى من شعاع الليزر من الإلكترونات ، وسيتم تحويلها إلى أشعة غاما عالية الطاقة. سوف يصطدم بعضها بفوتونات العارضة.

مجرد إصلاح مثل هذه التصادمات الفوتونية سيكون إنجازًا علميًا خطيرًا. تصر الفيزياء الكلاسيكية على أن أشعة الضوء يجب أن تمر من خلال بعضها البعض دون مقاومة ، ولكن بعض التنبؤات المبكرة للديناميكا الكهربائية الكمومية تشير إلى أن الفوتونات المتقاربة يمكن أن تنتشر في بعض الأحيان فوق بعضها البعض. يقول توم هاينزل ، الفيزيائي النظري في جامعة بليموث في بريطانيا: "لقد تم عمل مثل هذه التوقعات في أوائل الثلاثينيات". "سيكون من الجيد أن تكون قادراً على تأكيدها تجريبياً."

بالإضافة إلى جعل الليزر أكثر قوة ، يريد الباحثون منهم أيضًا أن يطلقوا النار بشكل أسرع. يجب تبريد مصابيح النبض التي تضخ الطاقة الأولية إلى أشعة الليزر من عدة دقائق إلى عدة ساعات بين اللقطات ، مما يعقد الدراسات التي تتطلب كميات كبيرة من البيانات - على سبيل المثال ، دراسة الحالات التي تتحول فيها الفوتونات إلى جزيئات غامضة من المادة المظلمة ، والتي تشكل معظم كتلة الكون . يقول مانويل هيغليتش ، الفيزيائي بجامعة تكساس في أوستن: "على الأرجح ، لرؤية هذا ، ستحتاج إلى أخذ الكثير من اللقطات".

يعد معدل تكرار النبض الأعلى نقطة رئيسية في استخدام أشعة الليزر عالية الطاقة للتحكم في حزم الجسيمات. في أحد المخططات ، يجب على الشعاع الشديد تحويل الهدف المعدني إلى بلازما ، وتحرير الإلكترونات ، والتي بدورها تطرق البروتونات من النوى من السطح المعدني. يمكن للأطباء استخدام هذه البروتونات لتدمير الأورام السرطانية - وسرعة عالية في العمل ستسهل تنفيذ الإجراءات بجرعات صغيرة وفردية.

يحلم الفيزيائيون بمسرعات الجسيمات التي تعمل على مبدأ نبضات الليزر السريعة. عندما يتصادم نبض ليزر شديد مع بلازما الإلكترونات والأيونات الموجبة ، فإنه يدفع الإلكترونات الأخف إلى الأمام ، ويفصل الشحنات ويخلق مجالًا كهربائيًا ثانويًا يسحب الأيونات بعد الضوء ، مثل الماء في أعقاب قارب. يمكن لموجة التنبيه بالليزر هذه أن تسرع الجسيمات المشحونة إلى طاقات عالية في مساحة يحدها بضعة مليمترات - مقارنة بالمسرعات التقليدية المتعددة. وهكذا ، باستخدام المغناطيس ، يمكن للإلكترونات المتسارعة نقل الاهتزازات وإنشاء ليزر إلكترون حر (FEL) ، والذي يخلق ومضات مشرقة وقصيرة للغاية للأشعة السينية التي يمكن أن تضيء الظواهر الكيميائية والبيولوجية على المدى القصير. يمكن أن يصبح FEL على الليزر أكثر إحكاما وأرخص بكثير من تلك التي تعمل على أساس المسرعات التقليدية.

على المدى الطويل ، يمكن للإلكترونات التي تسارعت بتكرار نبضات الليزر بسرعة بقوة PW أن تقلل بشكل كبير من تكلفة الماكينة التي يحلم بها الفيزيائيون: مصادم إلكترون بوزيترون يبلغ طوله 30 كيلومترًا ، والذي يجب أن يصبح خليفة مصادم الهادرون الكبير في CERN. يقول ستيوارت مانجليس ، اختصاصي البلازما في إمبريال كوليدج في لندن ، إن جهازًا يعمل بالليزر بقدرة 100 حصانًا لا يمكن أن يكون أقصر وأقل بـ 10 مرات من الجهاز الذي تبلغ تكلفته 10 مليارات دولار المخطط له حاليًا.

بالنسبة إلى المصادم الخطي و FEL ، سيستغرق الأمر الآلاف أو حتى الملايين من اللقطات في الثانية ، وهو أبعد بكثير من التكنولوجيا الحديثة. أحد الاحتمالات التي يستكشفها Muro مع الزملاء هو محاولة الجمع بين إخراج آلاف من مضخمات الألياف سريعة التشغيل التي لا تحتاج إلى الضخ باستخدام مصابيح الفلاش. خيار آخر هو استبدال مصابيح الفلاش بأشعة ليزر ديود ، والتي ، على الرغم من أنها باهظة الثمن ، يمكن أن تصبح أرخص في الإنتاج الضخم.

حتى الآن تركز مجموعة لي في الصين ومنافسيها في روسيا والولايات المتحدة على قضايا السلطة. يقول Yefim Khazanov ، اختصاصي الليزر في IAP ، إن XCELS ستكون جاهزة بحلول عام 2026 - إذا وافقت الحكومة على تخصيص أموال لها ، حوالي 12 مليار روبل (حوالي 200 مليون دولار). في غضون ذلك ، يبدو أن OPAL خيار مربح نسبيًا ، يتراوح سعره بين 50 و 100 مليون دولار ، وفقًا لـ Zugel.

لكن أول ليزر يكسر الفراغ من المحتمل أن يكون SEL الصيني. في يوليو الماضي ، وصفت اللجنة الدولية للعلماء التصميم المفاهيمي لليزر بأنه "لا لبس فيه ومقنع" ، ويأمل لي في الحصول على موافقة من الحكومة للحصول على أموال في منطقة 100 مليون دولار هذا العام. يقول لي إن الدول الأخرى يجب ألا تشعر بأنها ستبقى في الظل عندما يتم تشغيل أقوى ليزر في العالم - حيث سيعمل SEL كمشروع دولي. يقول زوغل إنه لا يحب "التواجد على الهامش" ، لكنه يعترف بأن مواقف المجموعة الصينية قوية. يقول: "الصين لديها الكثير من المال ، والكثير من الأشخاص الأذكياء للغاية." إنهم ما زالوا ينمون إلى الكثير من التقنيات ، لكنهم يفعلون ذلك بسرعة. "