走进美国国家点火装置，感受1亿℃的别样风景

菲莉丝·阿尔贝在“泰坦”激光器内部。

编者按：500万亿瓦特、1,000亿个大气压、一万亿分之一秒的二十分之一，这些骇人听闻的数字正代表了科学研究的最前沿。

一个阳光宜人的上午，我见到了菲莉丝·阿尔贝（Félicie Albert），地点是在美国国家点火装置（National Ignition Facility，简称NIF），这里安放着世界上最强大的激光器。

当你用如此强大的设备来研究见于行星熔融核心以及恒星 “核熔炉”的极端物质形态时，门口那些荷枪实弹的警卫也就只能用来吓唬吓唬外人罢了。

 

球形靶室的燃料球放置平台

“它是一种炙热的致密物质，那是一种非常难以捉摸的形态。”阿尔贝说，“它不会冷却，也不会凝固，也算不上是等离子体……那真的很难形容。”

在建筑内部，她带我参观了那台巨大的激光器。

NIF的激光发射通道

NIF的内部犹如巨大的洞穴，有三个橄榄球场那么大。它由各种看似混乱实则井然有序的放大器、光学器件和管道组成，可以生成、校准和聚焦192束激光，并将之聚焦到一个只有胡椒粒大小的燃料球上。

这部激光器于2009年启用，它可以在五千万分之一秒内产生并释放500万亿瓦（你没看错，确实是500万亿）的激光脉冲，从而创造出超过1亿摄氏度的高温和超过1,000亿个大气压的高压。

 

燃料球

燃料球中含有氢同位素，它被放置在一个球形的靶室中。

这种充满科幻感的外观甚至为其赢得了一个银幕角色：在电影《星际迷航：黑暗无界》中，它“扮演”了联邦星舰“进取号”的曲速引擎核心。

阿尔贝说，当激光器发射时，整栋建筑都会发出轰隆隆的回响。激光与燃料球的碰撞会产生大量的辐射——大部分是X射线——任何站在靶室附近的人都会受到伤害。

“到不至于被瞬间蒸发，但会出现一些严重的健康问题。”阿尔贝说。

NIF的主靶室

 

发射激光时，现场需要有一位负责监督的物理学家，此人要诊断问题，并在必要时终止发射——阿尔贝就曾多次担任过这一任务。

到目前为止，NIF还没有做到名副其实的“点火”，这里的意思是指引发核聚变，释放出巨大的能量，使聚变反应能够自我维持。

如果实现这点，那将成为开发清洁、可持续核能的关键一步。

当阿尔贝不在NIF时，她往往会在“木星激光装置”那里。与NIF一样，它也位于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的园区内。

我们也去了那里，参观了一台名为“泰坦”（Titan）的激光器。通过一台鞋履自动除尘机之后——激光光学器件讨厌灰尘——我们进入了“泰坦”激光器的控制室。

房间内的桌上摆放着各种“健脑食品”，比如橡皮糖、芝士饼干和激浪饮料，科学家就坐在一旁对激光器进行校准，为发射做准备。

阿尔贝的专长是利用高能辐射，对极端物质形态中，原子层面所发生的事进行拍照。眼下，她正忙着让“泰坦”担纲这一任务。

NIF激光器每发射一次，需要近24小时进行重新调试，而“泰坦”则不同，它在一天中可以执行多次任务，包括快速连续的发射。

阿尔贝正在使用一项名为“激光尾波场加速”的技术，试图让“泰坦”生成电子回旋X射线。为此，研究人员需要把激光脉冲发射到一股氦气上，使其转化为等离子态，然后电子会在很短的距离内，被加速到接近光速。在这样的速度下，它们会发出超短X射线脉冲。

 

然而，尽管“泰坦”只需要1万亿分之一秒来做到这一切，但它还是太慢了：生成电子回旋X射线的理想时间应该少于一万亿分之一秒的二十分之一。

“我正在研究能否利用间隔稍长的激光脉冲，来让“泰坦”产生电子回旋X射线。”阿尔贝说。

“泰坦”激光器的气嘴

如果能做到这点，她将可以开展“泵浦-探测”实验。在这项实验中，两束激光脉冲中的第一束负责生成特殊的X射线，当第二束脉冲生成高能的奇异物质时，那些X射线就会用来给它们拍照。你可以把它想象成高速摄影的终极形态。

“这种时间尺度的现象发生在了原子层面上。”阿尔贝说。此外，激光尾波场加速技术还拥有另一种潜力：通过它，庞大的粒子加速器也许可以缩小成一台电脑大小。

激光光学器件

 

就在我们交谈期间，扩音系统响起了自动提示音。“‘泰坦’靶区正在进行激光发射前的蓄能，请撤离激光间及‘泰坦’靶区……发射倒计时3，2，1。”我们稍稍等了一会儿，然后穿上防尘服，我终于有机会一睹“泰坦”的真容。

与NIF不同，“泰坦”只占据了一个普通大小的房间。而且，利用它做研究的科学家可以自己进行调试，不需要依靠一支机械师团队。

“这项工作可能很辛苦，但我更喜欢自己动手。”阿尔贝说。

为了能在分配时间内最大限度地用好这些激光器，她有时每天工作18个小时，而且一干就是好几个星期，还要经常在机器内部或底下爬来爬去。

不过话说回来，当你同世界上最强大的激光器打交道时，保持高度专注是必不可少的。

翻译：何无鱼

来源：New Scientist