世界上最大激光器原理功能聚变和解决超新星

　　如果有人告诉你世界上最大的激光在加利福尼亚，它与太空和国防有关，你可能会想象它是一种超级武器，可以将敌方卫星从天空中炸飞。但现实却大相径庭。新激光器是科学家的独特研究工具，能够创造存在于恒星内部和核爆炸中的极端条件。
　　世界上最大的激光器在哪里？
　　这台巨大的激光器位于加利福尼亚州利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL)，它的名称相当神秘，即国家点火设施 (NIF)。这是因为，根据劳伦斯利弗莫尔国家实验室的说法，在核科学的背景下，＂点火＂具有非常具体的含义。它指的是聚变反应可以自我维持的点——这种情况在太阳和其他恒星内部很容易实现，但在地球实验室中极难实现。触发核聚变需要极高的温度和压力，这就是 NIF 的巨型激光器的用武之地。
　　NIF 自 2009 年 3 月开始运营，占据了一座 10 层楼高的建筑，有 3 个足球场那么大。它有 192 束独立的激光束，将所有能量引导到一个不到一厘米大小的目标上。这发生在一个单独的、精心协调的脉冲中，持续时间仅为十亿分之几秒。由此产生的闪光创造了发生聚变所需的极端条件，包括 1.8 亿华氏度（1 亿摄氏度）的温度和地球大气压力的 1000 亿倍。
　　激光束
　　要了解 NIF 是如何实现如此惊人地壮举的，我们有必要仔细研究一下激光束是什么。激光这个词代表＂受激辐射的光放大＂，这是它们如何工作的关键。我们最熟悉的放大示例是在音响系统中，外部的能量被注入音频信号以使声音更响亮，同时保留声音的特征，因此我们听到的结果没有任何失真。实际上，这就是激光的作用——但是是用光来实现而不是声音。
　　在 NIF 的情况下，192 束激光束在它们来回穿过掺钕磷酸盐玻璃板时被逐渐放大。这种放大的能量来自玻璃板周围的一系列强大的闪光灯。在光束通过之前，这些灯发出的强烈白光用于将钕原子提升到高于正常水平的能级。
　　然后，当激光脉冲穿过玻璃时，它会触发＂受激发射＂。钕原子中多余的能量以更多光波的形式释放出来，以与原始脉冲完全相同的方向和波长传播。因此，激光束在每次通过时都会逐渐放大，最终出现的强度是它们进入时的千万亿倍以上。
　　聚变力
　　核聚变是一种反应，其中轻原子（如氢）的原子核结合成更重的原子（如氦）。据美国宇航局称，它对地球上的生命至关重要，因为它为太阳提供能量，而太阳是我们的主要光和热源。几十年来，科学家们一直在努力通过地球上受控的、自我维持的聚变反应来复制这一过程。
　　根据英国原子能局的说法，这在许多方面都是完美的能源，没有与传统核电站相关的放射性废物，也没有化石燃料的碳排放。但不幸的是，这是一个难以实现的目标，迄今为止唯一 实际用途的聚变反应是为热核武器提供动力的具有强烈破坏性的聚变反应。
　　NIF最初就是在这样的背景下成立的。LLNL的主要目的是确保美国核威慑的安全、安保和可靠性。这涉及到新武器的开发和测试，但幸运的是，情况已不再如此。LLNL 现在寻求在不进行全面测试的情况下保持现有武器的完整性，而 NIF 在这方面发挥着至关重要的作用。它具有独特的能力，能够产生科学家研究引爆核武器内部条件所需的巨大温度和压力。
　　虽然与武器相关的研究仍占 NIF 活动的大部分，但每年约有 8% 的时间用于更和平的实验。其中包括对太阳和其他恒星核聚变的研究，以及探索可以促进将聚变用作地球未来能源的技术。但并不是所有 NIF 的实验都与聚变有关。由于激光在温度和压力方面创造了如此极端的条件，因此它可用于研究发生这些条件的其他情况，例如超新星爆炸周围不断扩大的冲击波，或巨行星的极其密集的核心。
　　1954年的布拉沃核试验
　　激光是如何工作的？
　　根据 NIF的说法，其最终目的是将来自强大激光束阵列的所有能量集中到豌豆大小的目标上。激光不会连续发射，而是以仅 200 亿分之一秒的短暂脉冲形式发射。这足以将目标提高到研究人员所需的巨大温度和压力。
　　从最初产生激光脉冲到爆破目标只需要几微秒，但在这段时间内发生了很多事情。首先，在主振荡器室中创建一个弱脉冲。然后在两个巨大的激光舱内将其分成总共 192 束单独的光束，当光束来回穿过系统时，它们会逐渐放大。能量来自超强的＂手电筒＂，它照亮了光束穿过的一系列玻璃板，并不断获得能量。
　　在放大过程中，光束全部平行传播，但一旦它们足够强大，它们就会在靶室内重新排列成两个锥形。它们从上方和下方汇聚到目标上，所有这些都在同一瞬间到达，并在一次巨大的闪光中传递它们的能量。
　　1999 年 6 月安装前的巨大球形靶室
　　＂我对 NIF 激光器的巨大尺寸感到不知所措，以至于我在第一次访问时几乎晕倒了，＂正在国家点火装置研究宇宙磁场起源的等离子体物理学家Jena Meineck说。就像站在尼亚加拉大瀑布旁边——你会被这台高耸在你头顶的机器的巨大力量所震撼。＂
　　空间激光器
　　虽然 NIF 目标室内创造的条件远远超出了地球上通常看到的任何条件，但它们在某些天体物理环境中更为典型。这使得 NIF 成为空间研究的宝贵工具。例如，恒星内部的聚变方式与 NIF 模仿的核爆炸非常相似，但规模要大得多。2017 年，作为LLNL 的＂发现科学＂计划的一部分，它被用来创造类似于恒星内部的条件，使研究人员能够收集通过任何其他方式无法获得的数据。
　　NIF 还被用于研究超新星冲击波的物理学和宇宙磁场的普遍性。根据梅内克博士的说法，由于一系列的 NIF 实验，后者现在可以用一种称为＂湍流发电机＂效应的现象来解释。＂快速移动的冲击波可能是遍布我们宇宙的无处不在的磁场的诞生地，＂梅内克博士告诉我们，＂这些磁场的强度会增加，直到出现一种称为湍流发电机的独特现象。这是宇宙中普遍观察到的非线性磁场放大机制，但我们团队最近才在地球上创造出来。＂
　　在日常生活中，发电机是将机械能转换为电磁形式的设备，NIF 实验表明，早期宇宙中的一个类似过程负责将最初的弱磁场增强为现在渗透到星系中的强大磁场。
　　解决超新星
　　超新星是非常强大的爆炸，发生在大型恒星耗尽核燃料时。它们创造了宇宙中其他任何地方都看不到的极端条件，这使得它们对天文学家很有吸引力。即便如此，由于超新星如此罕见，它们还没有被完全理解。例如，科学家们对超新星冲击波如何能够将宇宙射线加速到几乎光速感到困惑。然而，多亏了NIF，这个难题已经解决了。据LLNL称，2020 年，研究人员使用巨型激光器在微型尺度上重建了类似超新星的条件，并发现冲击波中的湍流是异常加速的原因。这是从天文观测中永远无法发现的。
　　巨型激光器的另一个用途是将材料压缩到极高的密度——比地球上发现的任何东西都要高得多，与木星和土星等巨行星中心的条件相当。例如，它被用来研究氢在这种条件下变成金属的方式. 2014 年，NIF 被用来将钻石晶体挤压到与土星中心相当的压力——是地球核心压力的 14 倍。该实验中的一个特殊挑战是避免产生极高的温度。虽然这些在聚变实验中是可取的，但在行星核心的背景下它们是不现实的。然而，经过精心设计，该实验成功地将钻石压缩到与铅相似的密度，并在此过程中为行星科学家提供了丰富的数据。
　　也可以想象，NIF 可能具有完全不同类型的实际空间应用。这是因为聚变能除了在地球上的潜在应用外，也可能是航天器推进的可行选择。多年来，已经提出了许多可能的设计，但其中大多数以与 NIF 完全不同的方式产生聚变反应。然而，在 2005 年，LLNL 科学家 Charles Orth与美国国家航空航天局合作开发基于与 NIF 相同原理的太空推进概念。该设计名为 VISTA，用于＂星际运输应用车辆＂，该设计采用锥形排列的激光束在一系列小燃料芯块中引发聚变，然后在强大磁铁的帮助下将产生的推力偏转到所需的方向。