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强烈的激光实验首次证明了光能阻止电子

来源:Imperial College London 2018-02-08 14:21 1533人浏览

【盖德化工网 每日热点】通过用超强激光打击电子,研究人员揭示了超越经典物理学的动力学,并暗示了量子效应。

每当光线射向一个物体时,一些光线就会从物体表面反射回来。然而,如果物体运动得非常快,如果光线异常强烈,奇怪的事情就会发生。

例如,电子可以被剧烈地震动,实际上它们在减速,因为它们放射出如此多的能量。物理学家称这个过程为“辐射反应”。

这种辐射反应被认为发生在诸如黑洞和类星体(由气体圆盘包围的超大质量黑洞)的周围。因此,能够在实验室中测量辐射反应将提供对宇宙中一些最极端环境中发生的过程的洞察。

辐射反应对于研究超越经典物理学效应的物理学家来说也是很有趣的,因为传统上定义物体的作用力的方程式(称为麦克斯韦方程)在这些极端环境中并不成立。

现在,由伦敦帝国理工学院领导的一个研究小组首次在实验室中展示了辐射反应。他们的研究结果发表在《物理评论X》杂志上。

他们可以通过用高能电子束撞击激光束来观察这一辐射反应,其亮度比太阳表面的光强1千万亿倍。这个实验需要极高的精度和精密的时间,是在英国的科学和技术设施委员会中央激光设施使用双子激光来完成的。

靠近光速运动的物体反射的光子的能量增加了,导致在这样的极端条件下,反射光从光谱可见光一直转移到高能伽马射线。这个效应让研究人员知道他们什么时候成功地碰撞了光束。

这项研究的资深作者、帝国理工学院物理系的Stuart Mangles博士说:“当我们探测到非常明亮的高能伽马射线辐射时,我们知道我们已经成功地撞上了这两束光束。”

“当我们将这个检测与碰撞后电子束中的能量进行比较时,我们得到了真实的结果。我们发现,这些成功的碰撞有一个低于预期的电子能量,这就是辐射反应的明显证据。”该研究的共同作者,来自兰卡斯特大学和密歇根大学的Alec Thomas教授补充道:“我一直觉得这很吸引人的一点是,电子在这张光片上被有效地阻止了,只有头发宽度的一小部分,就像一毫米的铅。这太不寻常了。”

实验数据也更符合基于量子电动力学原理的理论模型,而不是Maxwell方程,这可能为之前未测试过的量子模型提供了一些初步证据。

这项研究的共同作者、瑞典查默斯科技大学的Mattias Marklund教授说:“检验我们的理论预言对我们来说是至关重要的,特别是在有很多东西要学的新体制中。结合理论,这些实验为量子领域的高强度激光研究奠定了基础。”

然而,更多的实验,甚至更高的强度或更高的高能电子束,将需要证实这是否属实。这个小组将在来年进行这些实验。

在目前的实验中,研究小组通过将光线聚焦于一个非常小的光斑(只有几微米——百万分之一米),并在很短的时间内提供全部能量(仅仅40兆秒的时间:40兆亿分之一秒的时间),从而使光线变得如此强烈。

为了使电子束小到足以与聚焦的激光器相互作用,研究小组使用了一种被称为“aser wakefield ”的技术。

aser wakefield 技术将另一个强激光脉冲发射到气体中。激光把气体变成等离子体,驱动叫做尾波场的波,在它通过等离子体时它后面。等离子体中的电子可以在这个尾流上冲浪,并在很短的距离内到达很高的能量。

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