在台式激光器的实验中，能量也许不是最高的，但是就功率而言，即使是点燃聚变反应的激光器也可以争论。 量子真空可以屈服于这种激光的作用吗？事实证明，空白处并不是那么空。 真空中的波动意味着即使从一部分空间中消除了所有物质和辐射，仍然会在空间本身中保留有限量的固有能量。 如果您用足够强大的激光射击他，是否有可能像他们在《科学杂志》上写道的那样“打破真空和空白空间”？ 这是我们的读者问的：
《科学》杂志最近发表了一篇文章，今年中国物理学家将制造100PW的激光（!!!）您能解释他们计划如何做这件事，以及有什么独特的现象可以帮助探索吗？ 打破真空意味着什么？
这个故事是真实的 ，已经得到证实，并且在“打破真空”方面有些夸张-您可能会认为，原则上可以做到。 让我们深入研究真正的科学，找出真正发生的事情。
Q系列激光笔具有多种颜色和紧凑性，这是激光中常见的现象。 此处显示的是激光器连续工作且功率非常低，只有几瓦特-记录激光器的工作功率高达PB。尽管激光被广泛采用，但激光的想法仍然相对较新。 最初，它是受激辐射发射引起的光放大的首字母缩写，原则上，激光器的名称选择不当。 实际上，没有收益发生。 在正常情况下，有原子核和各种能级的电子。 在分子，晶体和其他连接结构中，电子能级的分离决定了可用的跃迁。 在激光中，电子在两个可用状态之间振荡，并在从能量较高的状态转换为能量较低的状态时发射确定能量的光子。 这些振动会产生光，但是由于某种原因，没有人愿意为“受激辐射发射引起的光振荡”（由辐射发射引起的光振动）缩写。
将电子泵浦到激发态并用所需波长的光子激发它们，会导致发射另一个具有相同能量和波长的光子。 这就是首先获得激光的方式。如果您可以使分子或原子进入相同的激发态并激发它们自发转变为基态，则它们将发射相同能量的光子。 这些跃迁发生得非常快（但不是立即发生），因此，在理论上，原子或分子跃迁到激发态然后发射光子的速率受到限制。 通常，为了产生激光，一定的气体，分子物质或晶体位于共振腔或反射腔内，但也可以由自由电子，半导体，光纤以及理论上甚至由制成。
ALICE自由电子激光器是一种奇异激光器的示例，该激光器不依赖于普通的原子或分子跃迁，但仍会产生狭窄聚焦的相干光离开激光器的能量数量受到投资能量的限制-因此，获得极高激光功率的唯一方法是缩短发射脉冲的时间。 您可能听说过10瓦特瓦（10瓦），在您看来，这是巨大的能量。 但这不是能量，而是功率-单位时间的能量。 兆瓦功率激光器可以是每秒发射10
15 J能量的激光（200 kT TNT中包含大量能量），也可以是每飞秒（10
-15 s）发射一焦耳能量（60μg糖中包含大量能量）的激光器。 。 在能源方面，尽管这些选项具有相同的功率，但它们却有很大不同。
罗彻斯特大学的OMEGA-EP放大器由手电筒照亮，可以为美国大功率激光器供电尚未制造出100 PW的激光器，但这是研究人员计划在2020年代克服的另一个令人难以置信的门槛。 假设的项目被称为极端照明站（SEL），并且正在作为中国上海超强超快激光系统的一部分而建造。 通常为各种波长的光的外部泵浦设备会激发生成材料中的电子，从而引起产生激光的特征跃迁。 光子以密集的射线或脉冲形式出现，其波长分布很小。 对于许多人而言，得知1 PW的阈值早在1996年就已被克服是令人惊讶的。 花费了将近二十年的时间才能克服下一个10 PW的阈值。
国家点火系统的前置放大器是增加激光束向目标摄像机传播的能量的第一步。 2012年，NKZ达到0.5 PW的水平，比美国所有能源消耗的峰值高出一千倍。在讨论高能激光器时，美国的国家点火系统可能是第一个想到的，但这仅是一种分散注意力的动作。 这个由192个激光器组成的阵列聚焦在单个点上，压缩了一个氢气球并启动了核聚变，悬挂在1 PW标记附近，但这并不是最强大的组件。 他的能量很高，超过一百万焦耳，但他的脉搏却相对较长。 要设置功率记录，您需要在更短的时间内提供更多的功率。
当前的记录保持器使用含有钛杂质的蓝宝石晶体，向其中注入数百焦耳，使光在相消干涉中来回反射，破坏了几乎整个脉冲持续时间，然后将输出光压缩为仅几十个飞秒的单个脉冲。 这样便可以实现10 PW量级的输出功率。
钛蓝宝石激光器的一部分； 左侧为亮红色-钛金蓝宝石水晶； 明亮的绿色光-泵浦的光散落在镜子上。为了通过打破下一阶的阈值而变得更高，有必要将泵浦激光器中的能量从数百焦耳增加到数千焦耳，或者减少脉冲持续时间。 首先，就所用材料而言是困难的。 较小的钛-蓝宝石晶体不能承受这种能量，而较大的钛-蓝宝石晶体倾向于在不必要的方向上发光-与光束的路径成直角。 研究人员目前正在考虑针对此问题的三种方法：
- 取10 PW的初始脉冲，用衍射光栅将其拉伸，将其组合成人造晶体，然后可以将其再次泵浦，从而增加能量。
- 对于仅持续几十飞秒并且以光速运动的脉冲，组合来自一组不同激光器的几个脉冲以创建所需的重叠水平是一项艰巨的任务。
- 添加另一阶段的脉冲压缩，将其压缩到几个飞秒。
弯曲光线并将其聚焦在一个点上，而不管其波长是什么或落在表面上的任何位置，是使空间中某个位置的光强度最大化的关键步骤之一然后必须清楚地聚焦脉冲，不仅增加能量，而且增加强度-也就是说，将功率集中在一个点上。 如
文章所述 ：
daccess-ods.un.org daccess-ods.un.org如果将100 PW的脉冲聚焦在3μm大小的区域上，则该区域的光束强度将达到令人难以置信的每平方厘米10 24 ，这是25个数量级，是日光照射强度的10万亿倍大地的
这将为期待已久的从零开始创建粒子-反粒子对的可能性开辟道路-但这不太可能是“量子真空破坏”。
量子场论计算的可视化显示了在量子真空中的虚拟粒子。 即使在空的空间中，真空的能量也不等于零。根据量子电动力学理论，空空间的零能量不等于零，并且具有正的有限值。 尽管我们以粒子和反粒子再次出现和消失的形式来想象这件事，但最好对其进行描述，以便在足够的能量下，我们可以利用空白空间的电磁特性来
创建真实的粒子/反粒子对 。 这基于爱因斯坦的简单物理学E = mc
2 ，但是需要足够强的电场：每米10
16 V量级。 作为电磁波的光传递电场和磁场，并以大约10
29 W / cm
2的激光强度达到该临界阈值。
强度达到10 29 W / cm 2的 Zett-Wat激光器应该足以从量子真空中产生真正的电子-正电子对。 这将需要比不久的将来更多的能量，更短的脉冲和/或更大的聚焦。您可能已经注意到，即使是科学文章中的理想版本，其强度也仍比该阈值小100,000倍，并且在达到该强度之前，创建粒子/反粒子对的能力将受到指数抑制。 真正的机制与简单地反转配对过程非常不同，在配对过程中，两个光子代替了消灭电子和正电子，而不是ni灭电子和正电子，而是相互作用并产生了一个电子/正电子对。 （这种过程最早是在1997年通过
实验证明的。）在激光中，单个光子将没有足够的能量来产生新的粒子-相反，它们对空间真空的综合影响将使粒子/反粒子对以一定的概率发生。 但是，如果仅此强度未达到10
29 W / cm
2的阈值，则该概率将为零。
来自上海的激光创造了功率记录，但被放置在桌子上。 最强大的激光不一定是最高的能量，而最常见的只是脉冲最短的激光。从空的空间中产生物质/反物质粒子对的能力将是量子电动力学的重要测试，并且是激光能力及其控制能力的非凡展示。 可能会在没有达到临界阈值的情况下获得第一个粒子/反粒子对，但为此要么要么很接近它，要么非常幸运，或者想出一种机制来提高针对幼稚计算产生一对粒子的可能性。 无论如何，量子真空不会破裂，而是精确地处理它所期望的：它根据物理定律对物质和能量做出反应。 这可能不直观，但可以预见-有时甚至更有用。 所有科学都在于进行预测并进行实验以确认或反驳的艺术。 我们尚未达到极限，但是功率和强度的每一次提高都是使我们更接近激光物理学的圣杯的又一步。