在人类文明之前，地球上是否存在过另一种文明？
如果在我们文明之前，地球上存在一个工业文明呢？如果在数千万年的过程中，所有的直接证据都化为乌有呢？是否有可能在地质记录中发现这种注入尘埃的文明的证据？罗切斯特大学的天体物理学家亚当・弗兰克和美国宇航局戈达德空间研究所所长加文・施密特给出了答案
若在遥远缥缈的太空深处有这样一个地方——它距离地球许多光年，同时与任何星云、恒星和单原子都相距无限远。那我们会实验用许多词汇来形貌它：虚无之地、真空或者宇宙的空缺。但现实上，这片虚无的真空区域却并非一片死寂，相反内里充斥着活跃的粒子流动。而现在科学家正实验用激光观察它们。 凭据量子理论，
真空空间中充满了虚粒子。它们不仅真实存在着，同时也保证了现实天下的正常运作。除非你有异常壮大的探测工具，否则你险些无法检测到它们。“通常，人们口中所说的真空，意味着这个空间什么都没有。”来自瑞士哥德堡查尔摩斯理工大学的Mattias Marklund 示意，“但行使激光就可以告诉你真空里藏着什么。”
探寻虚粒子 要想知道虚粒子事实是什么样子，研究者就需要将它们转化成某种可探测到的事物，而实现这一历程就要用到激光。这正是物理学家们正在努力完成的事情，从几个月前第一次开机到现在，一台位于罗马尼亚的探测器不仅展示出了真空的真相，另有助于人类明白暗能量。 真空中充满虚粒子听起来对照难以明白，究竟宇航员没有真的在虚粒子海洋里遨游，卫星的运转也没有被它们阻碍。虚粒子是不可触摸的，那我们为什么会知道它们的存在？这主要是得益于
量子电动力学理论（QED）的泛起，其是量子理论的分支，行使它可以展望光子、光粒子与电子是若何相互作用的。 上世纪30年代，物理学家建立了QED理论。那时，只有把粒子间相互靠近与远离的所有方式都纳入思量，这种盘算方式才有用。这其中也包罗了违反物理学纪律的粒子运作方式，而粒子一旦采取了这种方式举行运动，它就成为了非真实存在的粒子了。这便引出一个历史问题：若何注释数学上存在，然则现实中并不存在的事情呢？ 已往随QED降生的另有一个很有吸引力的假说：
若是电场足够强，那么真空就可以“被打破”，虚粒子也能被观察到。虚粒子包罗虚电子和虚正电子，二者会在接触中湮灭从而无法被检测到。但若是能制造出一个壮大的电场，这两部门就可以被离开，成为可以被探测到的、真正的粒子。 该情形需要的能量阈值被称作
Schwinger极限，它是以QED理论家、诺贝尔获奖者Julian Schwinger的名字命名的。在该极限下，真空里不再是什么都没有，相反会检测到许多虚粒子。“真空终于不“空”了。”捷克理论物理学家Sergei Bulanov说。 若要到达Schwinger极限，需要用超大数目的光子轰击虚粒子，这样才气获得所需的能量。那么这个能量值是多少呢？其相当于地球上所有发电厂提供能量的十亿倍，而且还要将其输入进一个还没有原子大的空间里。这听起来不太现实，除非我们可以缓慢积攒能量然后通过伟大光束一次性发射出去。
用激光来完成任务 在这种需求下，激光器就可以派上用场了。激光器内部会通过一系列连锁反应制造出大量相同频率的光子，当这些光子从窄束中发射出来时，其发生的能量能够切割钢铁。然则
早期的激光强度是有限的，科学家也一直在寻找一种质料，可以保证高强度的激光不会过分损坏激光器的内部结构。1985年，纽约罗彻斯特大学的物理学家
Gérard Mourou和Donna Strickland发明晰一种放大激光的手艺。他们发现了一种可以先展宽激光脉冲，从而使脉冲削弱，然后再放大激光。这样就可以制止其对激光器内部结构的灼烧损伤，这样科学家就能够提高增能历程中获得的能量。Mourou和Strickland在2018年因开发出高强度激光系统获得了诺贝尔物理学奖。 即便云云，Mourou另有个更大的目的，“激光的能量早年是十亿瓦，现在是太瓦级（1万亿瓦），那么拍瓦级（1000太瓦）也是能实现的，”他说，“以是我们就不禁会想，我们真的能打破真空吗？” 2005年，Mourou最先构想一个可以发生Schwinger极限能量激光的巨型激光器。于是一项超强激光器设计（Extreme Light Infrastructure Project, ELI）启动了，不出几年，就有来自13个欧洲国家的40个实验室介入其中，这项设计还得到了欧盟8.5亿欧元的财政支持。现在这个项目有三个站点，其中，位于罗马尼亚布加勒斯特四周的ELI原子核物理学实验室拥有两个拍瓦级的激光器，
其在最高强度下事情时可以到达全球最强激光器的水准。现在，实验室正在逐渐提高该激光器的强度并举行测试。
ELI实验室拥有部门天下最强激光器。图源：LLNL 激光不仅仅可以把虚粒子转变成实粒子，这种转变历程或许能够让我们更好地明白暗能量这个宇宙学中最大的谜题。科学界现在知道，有些器械正在让宇宙膨胀的速率变得越来越快，然则它是什么呢？有人嫌疑这种征象发生的缘故原由正是虚粒子所蕴藏的能量。
在最高强度下，ELI的激光器会比英国“双子星”激光器强1000倍。图源：CTK / Alamy Stock Photo 但现在就存在一个问题，若是我们把虚粒子的能量盘算进来，
月球上也可以开车了？ 听说还能巡航1万公里
丰田与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宣布将在未来的空间探索方面展开合作。他们已签署一项协议，合作研制能够为宇航员提供各种支持的探月机器人。日前，丰田公布了太阳能自驾驶月球车的相关视频和图像。这款月球车的加压舱可容纳两名宇航员，巡航范围可达到1万公里
宇宙的膨胀速率应该要比现实的更快。而我们只有真正探测到虚粒子时才有可能解答这个问题。 ELI可以辅助我们明白宇航员常在夜空看到的快速和耀眼的伽马射线暴和无线电波。这些射线有时发出的能量比太阳年产能的数千倍还要多。没有人知道为什么会有这些能量发作，我们只能推测或许是电子和正电子会猛烈地交织旋转并天生等离子体，这一历程抛出大量光子。而ELI发出的激光也可以制造电子-正电子的等离子体，这能让我们更好地明白这些宇宙征象。 固然我们更期望ELI能让我们发现在能量到达Schwinger极限时会发生什么。在一样平常条件下，我们可以用理论异常精确地展望出包罗电子和正电子的实验效果。然则，只要超出Schwinger极限一点点，这个理论就行不通了。由于随着能量增添，虚粒子的运动路径会越来越难以展望，理论算法就派不上用场了。“而现实发生了什么却变成了一个没有解决的问题。”Bulanov说。 于是，科学家都热切期待ELI的实验项目能够解决这个问题。但现在ELI中三台激光器还没有一台装备能够自力到达Schwinger极限。哪怕第四台ELI激光器强度比现在任何一台激光器都高上十倍，与Schwinger极限的能量强度相比仍然弱了一万倍。Michael Donovan是在位于奥斯汀的德州拍瓦级激光器研究中心（Texas Petawatt Laser）的主任，他说：“
现存装备还没有能到达Schwinger极限的。” 然则Schwinger极限的特征让虚粒子纷歧定要到达阈值时才气被检测到，也就是说在低强度激光的照射下，虚粒子或许就能够最先向实粒子转化。
电子雪崩 在2010年，Mourou与同事就发现在低能量实验激光束周围可以观察到具现化的虚粒子旋转，这一历程中它们会释放出光子，然后转化成电子-正电子对，而新天生的电子对又会相互接触从而湮灭释放出光子。云云频频循环的历程，被称作
电子-正电子雪崩。 天体物理学家可以通过这一征象研究电子-正电子等离子体，然则
电子雪崩会掩盖掉虚粒子对的转化历程，甚至会花费激光的能量，激光能量就更难到达真正的Schwinger极限。Jonathan Wheller是一名互助研究者，他说“发现这一征象后，我们知道我们简直达不到极限。但我们又学到了一些其他的事情。” 科学家并没有放弃对极限的追求。在Mourou的论文揭晓不久后，Bulanov和同事发现雪崩效应仅仅在圆偏振激光束下泛起，这种情形下，电场会随着激光束的前进螺旋形旋转。他们盘算出，若是改用
线偏振激光束，电子和正电子就可随激光束呈Z字形运动，这种情形下它们制造出的光子会大大削减，从而制止电子雪崩的发生。Bulanov说，“现实上，我们可以到达Schwinger极限。” 另有科学家也实验来到达Schwinger极限。为了战胜ELI激光强度不够高的缺陷，激光理论家也在实验种种方式增强激光能量。其中一个方案是让两束或更多束的激光束交织，这样交汇点的激光强度可以变为之前的两倍或更多。这方式听起来简朴，然则Wheeler和其他人确以为这个方案的实践细节会异常庞大。 另一个更好的方案听起来会有点奇异：
使用一面近光速航行的镜子。若是激光束在这面镜子上反射，那么波长就会被压缩使其群集在一个更小的点上。这个点越小，光所含的能量就越强。Bulanov在2003年第一次提出了这个方案，不外这个方案中的镜子并不是一样平常生涯使用的镜子，而且想要让镜子到达近光速航行所需的能量也难以想象。但Bulanov说，这个镜子可以用电子等离子体的光波来组成，它们也可以反射激光。 五年前，Bulanov揭晓了第一个模拟航行镜子原理的实验研究效果。他现在卖力ELI的High Field行动，这个项目正在寻找使激光强度最大化的方式。“我敢完全一定这个想法是行得通的，”Bulanov说。同时，Wheeler和Mourou也在寻找打破Schwinger极限的方式。Mourou说，“我们会找到的。” 现在，有些人已经找到了其他提高激光强度的方式，而且也看到了一些特殊的征象。在2018年2月，由Stuart Mangles向导的国际团队在伦敦皇家学院（Imperial College London）用英国中央激光装备中的Gemini激光器向迎面的电子束发射了一束激光。二者的碰撞放大了能量。这就像是两辆车迎面相撞，会发生大爆炸（而一辆车撞到墙上却不会有这样的效果）。
英国Gemini激光器
制造更强的激光 研究团队发现这一历程中电子释放出了光子，并在历程中泛起了电子反冲征象（电子获得伟大能量，被光子散射）。要到达这种征象，电子需要以一种极其庞大的方式吸收大量的光子，这能够让其到达QED理论形貌的能量界线。Mangles说，“从物理学角度看，我们已经在通往Schwinger极限的路上了。” 同时，其他可以与ELI媲美的激光装置也正在研发中，包罗俄罗斯的艾瓦级超强激光研究中心（Exawatt Center for Extreme Light Studies），上海的超强激光站（Station of Extreme Light）。David Reis是加州斯坦福大学的激光物理学家，他说上海新的激光装置会建造在另一台大型激光器旁边，或许这可以让两束激光束碰撞在一起。他说，“那场面会异常震憾。” 激光物理学的未来很有远景。Mourou希望可以他和Strickland的诺贝尔奖可以让科学界不停突破激光强度。Wheeler回忆起，他在最近的一次集会中听到了有关逾越Schwinger极限的预言，“Mourou说，这一事宜五年之内就会泛起，只管听起来让人重要但我笑了，”他说，“接下来的几年应是异常激动人心的。”
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