最近，科學家成功將激光聚焦到十億倍太陽表面光強的強度，并實現其與高能電子的精密對撞，驗證了電動力學近百年從未被驗證的關鍵理論：高階多光子湯姆遜散射理論。該結果將為停留在理論階段的量子電動力學理論體系打開實驗的大門。實驗過程中產生了極高能的定向伽馬射線，可用于產生高能高亮光源；該過程還有望在實驗室產生阿秒量級的伽馬暴，開啟阿秒尺度核物理、實驗室高能天體物理等全新的研究領域。
在美國內布拉斯加大學林肯分校極端強光實驗室，科學家正在進行世界上最強的激光與高能電子的散射實驗。（圖片來源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）
6月26日，美國內布拉斯加大學林肯分校與上海交通大學合作在《自然·光子學》上發表的一篇研究型論文稱，通過將超強超快激光聚焦，科研人員得到了峰值強度比太陽表面強度高出十億倍的極強光場環境。他們發現，在如此之強的激光下，近光速運動的電子有可能一次性將上千個光子“同時”吸收，然后“合并”成一個高能光子發射，科學上稱之為“高階多光子湯姆遜散射”。該理論是經典電動力學的著名理論之一，早在十九世紀初就被提出，但是由于實驗條件的限制，直到最近超快超強激光技術的發展才讓該理論的實驗驗證成為可能。雖然《自然·光子學》報道的最新實驗的激光強度已經很高，但如果激光強度繼續增加，經典的電動力學理論將不再適用，取而代之的是量子電動力學。該理論顯示在激光強到千萬億倍太陽光強的時候，激光會在絕對真空當中產生正負電子對，也就是實現愛因斯坦的終極理論質能轉化E=mc2。該實驗結果就是經典電動力學理論向量子電動力學理論發展中的重要實驗驗證。
該實驗在美國內布拉斯加大學林肯分校的極端強光實驗室迪奧克萊斯（Extreme Light Labortaory, Diocles laser）激光裝置上實現。該激光裝置是目前世界上最先進的超強超快激光裝置之一，設計脈沖寬度為27飛秒（相當于光速穿過頭發絲直徑的十分之一時間），峰值功率達到一拍瓦（一拍瓦合1萬億千瓦。作為對比，我國2016年平均每月全國總用電量約為4千億千瓦時）。
該實驗具有極高的挑戰性，對時空精度要求極度苛刻。為了實現電子與光子的對撞散射，首先要將迪奧克萊斯激光分成兩束，其中一束激光脈沖用來產生相對論速度運動的高能電子，也就是激光尾波電子加速。該過程中，如何實現穩定的激光加速本身就是一項極具挑戰性的課題，近幾年國際上各大強光實驗室均開展了相關的研究。產生微米（頭發絲直徑的八十分之一）大小高能電子束的同時，要將另一束激光精密聚焦到與電子束同樣大小，并在微米空間、飛秒時間尺度內，實現電子束與激光束的精確對頭碰撞。由于電子和光子都以光速運動，因此如何在實驗上實現如此精密對撞，是該領域一直存在的挑戰。盡管目前世界上已有幾十臺拍瓦量級的超強激光，但在如此超高強度下實現如此精密的實驗，尚屬首次。研究人員通過在上海交通大學高性能計算中心的超級計算機π上的數值模擬，將該實驗結果在計算機模擬中得到了很好的再現。
該項目負責人內布拉斯加大學林肯分校Leland and Dorothy Olson講席教授Donald Umstadter
左圖：論文第一作者閆文超博士；右圖：上海交通大學特別研究員陳民（右）、博士生羅輯（左）
多光子湯姆遜散射具有非常高的應用價值。該論文的第一作者，前中科院物理所光物理實驗室博士畢業生，現美國內布拉斯加大學博士后，該項目的實驗負責人閆文超博士表示：“我們的這項技術可以用來產生極高亮度的X-伽馬射線光源，亮度可以與第三代同步輻射光源相比擬，但是裝置體積卻只有幾十甚至上百分之一，有望在未來補充同步輻射光源，為醫療成像、材料研究、生物大分子研究，三維度量學提供更為廉價的光源，解決現有同步輻射光源數量少、排期難、費用高的問題。同時，高能伽馬射線可以穿透極厚的鋼板，有望對海關檢驗毒品武器走私等給予極大的幫助。由于我們的裝置可以做到很小，未來有可能集成到小型集裝箱貨車中，進一步增加輻射光源使用的靈活性。”
車載多光子湯姆遜散射伽馬射線光源有望使用于海關檢驗等環境。（圖片來源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）
利用超強激光與電子相互作用產生的伽馬射線, 科學家成功拍攝Wi-Fi接受器的內部結構。通常的x射線并不能夠穿透金屬進行如此清晰高分辨的成像。（圖片來源: Extreme Light Laboratory，University of Nebraska-Lincoln）
多光子湯姆遜散射的整個物理過程也具有極高的基礎科學研究價值。由于此物理過程中，多個光子參與一個相互作用事件，與此前單光子湯姆遜散射呈現出了完全不同的定標規律。本論文的通訊作者、極端強光實驗室主任，Donald Umstadter教授說：“在超強對撞激光條件下，電子會進行極端非線性運動，同時光子密度很高，因此單電子會與幾百個光子相互作用，這些光子被同時相干耦合在一起，形成一個超高能的光子。實際上，理論顯示我們實驗中可能已經實現了高達1300個光子的同時被散射。多光子湯姆遜散射理論已經存在幾十年之久，但從未被實驗徹底驗證，這是實驗室首次實現如此多光子共同參與的湯姆遜散射，并完整地驗證了該理論，對電動力學的發展意義重大。”另外，超強激光在聚焦處的峰值強度都是在低能激光脈沖條件下進行各種參數測量后估算的，目前沒有任何的直接測量方式。由于本實驗中的相互作用過程產生的伽馬射線具有獨特的空間分布，并且該分布與對撞激光的強度直接相關，因此根據該實驗過程中產生的伽馬射線的性質可以精確地標定超強激光的峰值強度，這也是目前唯一直接測量超強激光峰值強度的方法。
激光強度的變化引起電子運動軌跡發生變化，輻射的伽馬射線空間分布發生變化。在激光最強的時候，超過500個光子同時被單個電子散射。（圖片來源: University Communication,University of Nebraska-Lincoln）
研究人員表示，未來將進一步升級激光，對多光子散射理論進行更深入的研究，并展開初步的量子電動力學的研究。此外還將優化伽馬射線光源的品質，希望盡快實現其廣泛的應用價值。
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