强激光高能量密度物理研究最新进展

本文摘要：量子场论被指出是叙述最本质物理规律的学科之一。利用最基本的关系式，狄拉克方程，所明确提出的多种预测早已被证实，并获得具备重大意义的结果。 到目前为止，关于最不具挑战性且有根本性价值的一项预测的真实性检验还依然在探寻中：光否需要必要转化成物质，即强劲场下真空中否需要唤起出有正负粒子对。

量子场论被指出是叙述最本质物理规律的学科之一。利用最基本的关系式，狄拉克方程，所明确提出的多种预测早已被证实，并获得具备重大意义的结果。

到目前为止，关于最不具挑战性且有根本性价值的一项预测的真实性检验还依然在探寻中：光否需要必要转化成物质，即强劲场下真空中否需要唤起出有正负粒子对。1951年诺贝尔奖获得者JulianSchwinger得出了电子对在均匀分布大位恒电场中产生亲率的表达式，这项先驱性的工作引发了人们对这项对物理基础学科发展和应用于极具挑战性的根本性科学课题的留意，并唤起人们开始投放大量精力来挑战这个未解的难题。超快极强激光技术的较慢发展正在为积极开展这项研究获取前所未有的实验条件，使其渐渐沦为物理学的一个新的前沿热点。迄今为止，人们在实验上早已获得一些有意义的结果，重离子对撞实验以及美国斯坦福线型加速器上展开的46.6GeV电子束和强劲激光撞击实验，早已证实了正负电子对的产生。

但是到目前为止，由强光场必要引发的真空穿透和适当的正负电子对产生过程的实验还没能构建，主要原因是目前激光系统的仅次于强度虽然早已高达21022W/cm2，但仍足以必要穿透真空。为了取得更高功率的激光系统，跨国研究中心也正在建设中。我们需要预期，在旋即的将来，激光就可相似甚至超过穿透真空并自发性产生正负电子对的强度，在防止其它效应的情况下对超临界场产生正负粒子对的过程展开必要检验。

如果需要构建，将是人类首次证实光可以必要转化成沦为物质，即爱因斯坦的能质公式E=mc2,这对于物理学的发展和所带给影响是不可估量的。　　对于这一最重要问题，理论和数值方面早已获得了十分有意义的结果，但大部分工作都只考虑到了电场而并没考虑到磁场效应。最近中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室（捐）光物理实验室强劲激光低能量密度物理组与美国伊利诺斯州立大学、中国矿业大学和上海交通大学的合作者一起，首次研究了磁场效应对局域超临界电场下正负电子对产生过程的影响。

通过运用基于量子场论的非微扰的准确数值仿真，找到在超临界的电场中即使考虑到强度十分小的磁场，只要其空间宽度充足长，依然可以重开正负电子对产生地下通道，使系统变成次临界，并且预示产生粒子数在时间上的波动效应(闻图1)。仍然被普遍认为的Schwinger公式和Hund公式都无法对这种效应作出叙述。通过计算出来系统总哈密顿量的能量本征有一点出有，磁场变窄的同时正负能态的上上限随之互相远移，当磁场宽度超过粒子在磁场中的回旋半径的时候系统就变成次临界(闻图2)，并且经常出现线性的麦克斯韦能级引起粒子数在时间上的波动效应。上述研究结果公开发表在近期的物理评论快报。

该工作获得了国家基金委、科技部、科学院和美国国家基金委的资助。图1.有所不同磁场宽度下正负电子对的产生数随时间的变化关系。其中WB=1.25/c大约为电子在磁场中的回旋半径：磁场宽度大于回旋半径时，粒子数持续产生，系统为超临界；磁场宽度小于回旋半径时，系统变成次临界。

图2.根据总哈密顿量获得的能级产于随磁场宽度WB变化关系。宽度大于回旋半径时，正负能态交错，需要持续产生电子对；宽度小于回旋半径时，正负能态分离出来并经常出现线性的麦克斯韦能级。

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