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你是否擁有過一個(gè)放大鏡玩具？想象一個(gè)像地球一樣大的鏡頭，現(xiàn)在把陽光集中到一個(gè)鉛筆尖的大小上。但如今，對于德克薩斯州的科學(xué)家的想法來說，這仍然是不夠好。他們想讓光更強(qiáng)烈到500倍。他們說，這樣就可以打開宇宙中最強(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。伽瑪射線被用來快速掃描集裝箱中潛藏的危險(xiǎn)物質(zhì)。
但非放射性無知幾乎無法產(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。還沒有人能從激光中制造產(chǎn)生一個(gè)伽馬射線。不過這是可能做到的，奧斯丁德克薩斯大學(xué)（UT）的科學(xué)家這樣說。
根據(jù)研究的物理學(xué)家亞歷克斯·瑞菲夫說，超級計(jì)算機(jī)可能有助于解開從激光中產(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，“通過在自生電場中，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。“他們是比激光脈沖束中的光子的能量超過一百萬倍以上的光子。直到最近，還沒有一種方法可以產(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)超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，即德克薩斯高級計(jì)算中心（TACC），模擬結(jié)果表明，激光穿過靶室而沒有產(chǎn)生一個(gè)洞，就像陽光透過玻璃。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，“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。”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。“概括地說，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)生地球上有史以來產(chǎn)生的最高的磁場。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)引起的超高能磁場是科學(xué)家描述目標(biāo)“相對論透明度”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，“電子是越來越重，因?yàn)槲覀冋诩铀偎麄兎浅＝咏馑俚乃俣取Ｋ麄冮_始變得不動(dòng)。他們對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)殡娮硬荒軐す猱a(chǎn)生阻礙作用了。”
除了相對論，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)拍瓦量級即億千萬瓦。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分之一。這是關(guān)于只要它能夠穿過目標(biāo)所需要的時(shí)間長度，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。“因?yàn)檫@就是我們?nèi)绾卫斫獍l(fā)生過程中的物理過程的。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，他們使用英國開發(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)間長度上進(jìn)行，并觀察我們試圖要找到的東西。這是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，”斯塔克說。
“這就是為什么我們轉(zhuǎn)向德克薩斯高級計(jì)算中心。我們開始用孤星4號。現(xiàn)在我們開始更多的使用Stampede超級計(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，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計(jì)算中心的設(shè)施實(shí)現(xiàn)我們所要找的，”斯塔克說。
此外，當(dāng)粒子穿過他們的等離子體時(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。“內(nèi)存要求也很嚴(yán)格。Stampede超級計(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)對于激光實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理，瑞菲夫說。
“超級計(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。如果沒有德克薩斯高級計(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。
“對于我們的研究來說，位于德克薩斯高級計(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。“你可以調(diào)整參數(shù)的變化，而這在過去是沒有可能允許完成的。”
關(guān)于激光的先進(jìn)計(jì)算，所開辟的一個(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)這一過程。
“是有可能的，”瑞菲夫說，“你可以有一個(gè)伽瑪射線的對撞機(jī)，直到最近來說，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)《對稱性雜志》的報(bào)道，將花費(fèi)超過一百萬億美元，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)說道。“這可能會(huì)讓人們在實(shí)驗(yàn)室中研究一些過程，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。“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說，會(huì)比我們在德州大學(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，他們在德克薩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。
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)測的強(qiáng)度模型實(shí)驗(yàn)將首次進(jìn)行測試，”瑞菲夫說。“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和測量。”
艾瑞費(fèi)伍開玩笑說，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，以防萬一，”瑞菲夫說。
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