你是否擁有過(guò)一個(gè)放大鏡玩具？想象一個(gè)像地球一樣大的鏡頭，現(xiàn)在把陽(yáng)光集中到一個(gè)鉛筆尖的大小上。但如今，對(duì)于德克薩斯州的科學(xué)家的想法來(lái)說(shuō)，這仍然是不夠好。他們想讓光更強(qiáng)烈到500倍。他們說(shuō)，這樣就可以打開(kāi)宇宙中最強(qiáng)大的輻射線的大門：伽瑪射線。
漫畫書的讀者可能會(huì)知道伽瑪射線。綠巨人就是因?yàn)楹吮ㄝ椛?gamma;射線，由一個(gè)文雅的科學(xué)家變成了的野生超級(jí)英雄的。原子核的放射性衰變是會(huì)形成自然的伽馬射線形式。除了危險(xiǎn)材料，你還得必須看已看不一樣的地方，如黑洞附近或家附近大氣上的閃電中找到能夠使γ射線產(chǎn)生的自然力量
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)伽馬射線，像綠巨人那樣，是可以做類似英雄可以做到的那樣，如果這種射線是可以控制的話。在醫(yī)院中，現(xiàn)在根除癌癥腫瘤，即在手術(shù)精度下使用“伽瑪射線刀”。這種射線也可以使大腦活動(dòng)圖像化。伽瑪射線被用來(lái)快速掃描集裝箱中潛藏的危險(xiǎn)物質(zhì)。
但非放射性無(wú)知幾乎無(wú)法產(chǎn)生γ射線。為了實(shí)現(xiàn)，需要一個(gè)巨大的粒子加速器，正像是歐洲核子研究中心或?qū)嶒?yàn)室的那樣。還沒(méi)有人能從激光中制造產(chǎn)生一個(gè)伽馬射線。不過(guò)這是可能做到的，奧斯丁德克薩斯大學(xué)（UT）的科學(xué)家這樣說(shuō)。
根據(jù)研究的物理學(xué)家亞歷克斯·瑞菲夫說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)可能有助于解開(kāi)從激光中產(chǎn)生適合于桌面使用的γ射線的一種新方法，他在奧斯丁的聚變研究所和德克薩斯大學(xué)高能量密度科學(xué)中心有著雙重研究職務(wù)。該項(xiàng)研究的合作者瑞菲夫說(shuō)，“通過(guò)在自生電場(chǎng)中，增強(qiáng)由激光驅(qū)動(dòng)的電子束發(fā)射的多兆電子伏（MeV）光子發(fā)射，”這種研究方法已經(jīng)發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。
“我們發(fā)現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論是，激光脈沖可以有效地轉(zhuǎn)化成一束很高能量的光子束，”瑞菲夫說(shuō)。“他們是比激光脈沖束中的光子的能量超過(guò)一百萬(wàn)倍以上的光子。直到最近，還沒(méi)有一種方法可以產(chǎn)生這樣的高能光子束。因此，這種提出的方法可以為一些應(yīng)用程序也為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供突破性的條件。”
瑞菲夫和其研究同時(shí)開(kāi)啟德克薩斯拍瓦激光器，這是一個(gè)在這個(gè)世界上最強(qiáng)大的激光器。他們將目標(biāo)鎖定在一塊堅(jiān)實(shí)的塑料體上，這個(gè)塑料體與一個(gè)小房間鉆通，后者充滿了塑料泡沫。模擬是在一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，即德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心（TACC），模擬結(jié)果表明，激光穿過(guò)靶室而沒(méi)有產(chǎn)生一個(gè)洞，就像陽(yáng)光透過(guò)玻璃。一路上它激發(fā)了泡沫中的電子。這種高能電子粒子的等離子體，然后釋放一個(gè)受控制的超高能光子束，即γ射線。
這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)戴維·斯塔克說(shuō)，“能夠與德克薩斯拍瓦激光器的研究人員合作很興奮，”這也是在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校進(jìn)行的。“做這項(xiàng)研究的好處之一，是能夠?qū)⒌入x子體物理與恰好在我們這棟樓的地下室的光學(xué)能力結(jié)合起來(lái)。”斯塔克當(dāng)時(shí)是德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校物理系的一名研究生，并自從完成了他的博士學(xué)位，他繼續(xù)到洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究工作。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的不僅僅是輻射，這項(xiàng)研究的共同作者托馬·湯加說(shuō)。“概括地說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)使用數(shù)值模擬的一個(gè)物理機(jī)制，我們將產(chǎn)生地球上有史以來(lái)產(chǎn)生的最高的磁場(chǎng)。另一個(gè)好處是，我們也會(huì)產(chǎn)生最強(qiáng)烈的伽瑪射線源。”湯加是德州大學(xué)奧斯汀分校的高能量密度的科學(xué)中心副主任。
激光激發(fā)引起的超高能磁場(chǎng)是科學(xué)家描述目標(biāo)“相對(duì)論透明度”的關(guān)鍵。例如，如果你把你的正常激光指向一塊黑板，一些光線會(huì)反射，但主要是會(huì)被表面吸收。材料中的電子遵循激光場(chǎng)和短路的振蕩，所以它不能在板內(nèi)傳播。
“在我們的案例中，”湯加解釋說(shuō)，“電子是越來(lái)越重，因?yàn)槲覀冋诩铀偎麄兎浅＝咏馑俚乃俣取Ｋ麄冮_(kāi)始變得不動(dòng)。他們對(duì)于激光的高振蕩不再產(chǎn)生反應(yīng)。突然，激光可以在目標(biāo)內(nèi)部傳播，因?yàn)殡娮硬荒軐?duì)激光產(chǎn)生阻礙作用了。”
除了相對(duì)論，實(shí)驗(yàn)的尺度是超乎人想象的。他們與一些世界上最強(qiáng)大的激光器合作工作，放大到一個(gè)拍瓦量級(jí)即億千萬(wàn)瓦。光爆發(fā)出相比世界上所有電站總和還要高幾百倍的能量。但這只持續(xù)了只有幾百飛秒的時(shí)間，即十億分之一秒的百萬(wàn)分之一。這是關(guān)于只要它能夠穿過(guò)目標(biāo)所需要的時(shí)間長(zhǎng)度，其厚度只有1 / 100人類頭發(fā)的厚度。
“在這個(gè)時(shí)間尺度上，我們需要能夠解決其動(dòng)態(tài)特性，”斯塔克說(shuō)。“因?yàn)檫@就是我們?nèi)绾卫斫獍l(fā)生過(guò)程中的物理過(guò)程的。我們需要在我們的動(dòng)力學(xué)模擬中具有時(shí)間上和空間上非常高的分辨率上。”
科學(xué)家們一次又一次地轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)模擬的情況下，他們需要知道在數(shù)以千計(jì)、百萬(wàn)計(jì)、數(shù)十億計(jì)的事件同時(shí)進(jìn)行時(shí)到底發(fā)生了什么，因?yàn)槊恳患露紩?huì)影響到另一件事。在這里，他們使用英國(guó)開(kāi)發(fā)的時(shí)代“粒子細(xì)胞“的代碼，其中顆粒被建模為“塊”，描述了更大的現(xiàn)實(shí)的等離子體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。三十億激發(fā)態(tài)電子在無(wú)限小的時(shí)間步上進(jìn)行推進(jìn)仿真。
“要做到這一要求，我們需要能夠使用許多的處理器同時(shí)為了使系統(tǒng)在一個(gè)有意義的時(shí)間長(zhǎng)度上進(jìn)行，并觀察我們?cè)噲D要找到的東西。這是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，”斯塔克說(shuō)。
“這就是為什么我們轉(zhuǎn)向德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心。我們開(kāi)始用孤星4號(hào)。現(xiàn)在我們開(kāi)始更多的使用Stampede超級(jí)計(jì)算機(jī)。我們使用的二維和三維模擬。我們正在使用成千上萬(wàn)的處理器，同時(shí)為所有這些模擬和運(yùn)行他們的一天中更好的一部分。我們談?wù)摰氖浅汕先f(wàn)，多達(dá)60000個(gè)處理器數(shù)個(gè)小時(shí)為處理一個(gè)模擬，只是為了獲得所有的數(shù)據(jù)。因此，我們實(shí)際上需要使用德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心的設(shè)施實(shí)現(xiàn)我們所要找的，”斯塔克說(shuō)。
此外，當(dāng)粒子穿過(guò)他們的等離子體時(shí)，它們產(chǎn)生的伽馬射線光子粒子。“模擬中，粒子的數(shù)量急劇增加，”瑞菲夫說(shuō)。“內(nèi)存要求也很嚴(yán)格。Stampede超級(jí)計(jì)算機(jī)與額外的內(nèi)存資源是很有幫助的。“然后一旦你完成了模擬，你會(huì)有很多的數(shù)據(jù)。即使只是一個(gè)二維輸出，一個(gè)快照就會(huì)有幾百兆。而3D數(shù)據(jù)輸出的字節(jié)數(shù)會(huì)有幾十個(gè)G。而你會(huì)有幾十個(gè)這樣的文件。”
在Stampede 和 Lonestar超級(jí)計(jì)算機(jī)上數(shù)以千百小時(shí)的計(jì)算時(shí)間，不僅需要計(jì)算也實(shí)現(xiàn)可視化和實(shí)現(xiàn)對(duì)于激光實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，瑞菲夫說(shuō)。
“超級(jí)計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行一天，但然后得到處理的數(shù)據(jù)，并整理數(shù)據(jù)后，以確定哪些電子發(fā)射什么光子，這是非常苛刻的要求。這之后，可視化會(huì)需要大量的時(shí)間。如果沒(méi)有德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心資源的幫助，我們是不可能實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)研究的，”瑞菲夫說(shuō)。
“對(duì)于我們的研究來(lái)說(shuō)，位于德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心的Stampede計(jì)算機(jī)的一個(gè)巨大的資產(chǎn)就是，你可以進(jìn)行很多種運(yùn)行，”湯加說(shuō)。“你可以調(diào)整參數(shù)的變化，而這在過(guò)去是沒(méi)有可能允許完成的。”
關(guān)于激光的先進(jìn)計(jì)算，所開(kāi)辟的一個(gè)另外的可能性即是，研究反物質(zhì)的存在，使我們常見(jiàn)到的正常物質(zhì)的某種鏡像物質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí)，它們會(huì)湮滅并產(chǎn)生伽馬射線。瑞菲夫研究團(tuán)隊(duì)隊(duì)想逆轉(zhuǎn)這一過(guò)程。
“是有可能的，”瑞菲夫說(shuō)，“你可以有一個(gè)伽瑪射線的對(duì)撞機(jī)，直到最近來(lái)說(shuō)，這似乎不可太可行能在地球上的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，碰撞兩光束并產(chǎn)生實(shí)際物質(zhì)。不只是一對(duì)的粒子，是有很多的粒子，”豐富的物質(zhì)創(chuàng)造了世界上最大的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，甚至像歐洲核子研究中心。根據(jù)《對(duì)稱性雜志》的報(bào)道，將花費(fèi)超過(guò)一百萬(wàn)億美元，才能制造出一克的反物質(zhì)。
“就在光產(chǎn)生的真空中，應(yīng)會(huì)有大量的物質(zhì)，”瑞菲夫繼續(xù)說(shuō)道。“這可能會(huì)讓人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中研究一些過(guò)程，是在宇宙中的許多現(xiàn)象的基礎(chǔ)。”
“科學(xué)家們一般都是非常，非常好奇，”湯加說(shuō)。“他們的好奇心驅(qū)使他們。在歐洲，有一個(gè)由歐盟贊助的激光研究的財(cái)團(tuán)，建立了一個(gè)巨大的激光設(shè)施。這個(gè)巨大的激光設(shè)備，按照德克薩斯拍瓦激光器來(lái)說(shuō)，會(huì)比我們?cè)诘轮荽髮W(xué)奧斯汀分校的大至少10倍。這是10個(gè)拍瓦激光器。他們有一個(gè)巨大的和廣泛的科學(xué)案例，以能夠資助許多這些設(shè)想的研究。”
湯加表示，他們?cè)诘驴怂_斯做的激光研究可以為歐盟的激光研究提出的更大科學(xué)問(wèn)題鋪平道路。“我認(rèn)為我們的研究最重要的結(jié)果是，關(guān)于這個(gè)未來(lái)的10拍瓦激光器，我們現(xiàn)在實(shí)際上可以快速建立一個(gè)科學(xué)計(jì)劃，”湯加說(shuō)。
但德克薩斯科學(xué)家不只是要等待。基于模擬研究的利用德克薩斯拍瓦激光器的真實(shí)的測(cè)試，將由曼努埃爾教授和在奧斯丁高能量密度科學(xué)中心工作的托德教授負(fù)責(zé)于2016年內(nèi)進(jìn)行。“所以很快（在接受采訪的時(shí)候），一個(gè)關(guān)于到目前為止我們進(jìn)行理論預(yù)測(cè)的強(qiáng)度模型實(shí)驗(yàn)將首次進(jìn)行測(cè)試，”瑞菲夫說(shuō)。“這將是一個(gè)非常有趣的時(shí)刻，我們將會(huì)看到這些影響是否真的可以觀測(cè)和測(cè)量。”
艾瑞費(fèi)伍開(kāi)玩笑說(shuō)，他不想成為他自己成功的受害者。“我告訴這些家伙，要讓我知道他們什么時(shí)候跑。伽瑪射線是如此強(qiáng)烈，充滿活力，他們甚至不需要去掉鋁外殼就可以檢測(cè)他們。所以在他們做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我打算呆在家里，以防萬(wàn)一，”瑞菲夫說(shuō)。
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