在今天的《科學美國人》（Scientific American）雜誌上，剛登載了一篇著名美籍華人科學家的專(zhuan) 稿文章，標題為(wei) ：“超快、超強的激光將徹底地改變物理學”。

在介紹這篇文章前，我們(men) 先簡介文章作者、華人科學家。她名為(wei) 塔米·馬（Tammy Ma），自小隨沒機會(hui) 讀完高中的父母從(cong) 加拿大移民到美國。2005年獲得加州理工學院的航空工程學士學位，2008年獲得碩士學位和博士學位。以後在美國能源部所屬的國家研究機構——勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室完成博士後研究，並成為(wei) 一名實驗物理學家。最近獲得總統科學與(yu) 工程學早期職業(ye) 獎，這是美國政府授予年青科學與(yu) 工程專(zhuan) 業(ye) 人士最高榮譽，獲得過美國物理學會(hui) Thomas H. Stix獎，以表彰在等離子體(ti) 物理研究方麵的傑出早期職業(ye) 貢獻。受邀作為(wei) 嘉賓參加世界經濟論壇。
她在文章中介紹：“不久前，我還在讀研究生時，參加了我的第一個(ge) 高強度激光等離子體(ti) 實驗。大約每隔一小時，高功率激光器將釋放不到1萬(wan) 億(yi) 分之一秒長的能量，釋放出1皮瓦的能量，這是整個(ge) 美國電網提供的功率的100倍，聚焦到直徑為(wei) 直徑的十分之一的點上，猶如一根人的頭發，放在一個(ge) 微小的金屬箔靶上。”

強度如此之大，以至於(yu) 我們(men) 將產(chan) 生令人難以置信的高溫和高密度的等離子體(ti) ，用於(yu) 研究所謂的高能密度物理學（英文：High-Energy-Density Physics，簡稱HEDP）。根據實驗，目標樣品的精確加熱和壓縮可能會(hui) 產(chan) 生微小的爆炸，從(cong) 而複製超新星內(nei) 部發生的事情。

或者，我們(men) 可以仔細選擇目標材料和結構，以產(chan) 生一種巨大的X射線或粒子通量，這種方式對於(yu) 某天驅動比今天使用的更緊湊的粒子加速器非常理想。在某些情況下，通過巨大的光壓對材料進行的極端壓碎甚至通過完全重新排列原子和分子結構，導致了一種全新的物質狀態，這是地球上從(cong) 未有過的狀態。

但是，盡管這些研究非常複雜，但實際上整個(ge) 交互和“實驗”都將在眨眼間結束，實際上，比眨眼快1000億(yi) 倍。在不到一秒鍾的時間內(nei) ，我們(men) 的中子、帶電粒子、x射線和光學診斷程序套件，將捕獲激光與(yu) 小目標及其產(chan) 生的等離子體(ti) 的瞬時相互作用。然後，我們(men) 的研究人員將分散到目標區域以檢索我們(men) 的數據，收集膠片並保存有時使用30多種儀(yi) 器的圖像。

然後，這將使我們(men) 能夠推斷出，我們(men) 在微型加速器中加速了多少個(ge) 粒子，或者新材料是處於(yu) 晶態還是非晶態，或者我們(men) 創造的超新星有多亮。在激光冷卻所需的時間內(nei) ，我們(men) 將重置設備，更換濾鏡和膠片，裝入新的目標，然後在一個(ge) 小時後重複一次。實驗室裏的好日子是收集7到8個(ge) 質量數據點。

那些都是2006年的事情。進到2020年，高能密度物理領域已得到發展。設施已經變得更加通用，可以將多個(ge) 激光器或與(yu) X射線自由電子激光器（英文：X-ray Free Electron Lasers，XFEL）或脈衝(chong) 功率機組合在一起的激光器。實驗人員開發了許多新的測量技術，它們(men) 能夠在超短時間和長度範圍內(nei) 實現更高的精度。目標變得更加複雜和先進；它們(men) 可能包含金屬固體(ti) 或泡沫，或包含氣體(ti) 的中空塑料的胡椒大小的珠子，旨在產(chan) 生精確的能量和粒子特征。所有這些新技術都在高能密度物理方麵取得了巨大進步，產(chan) 生了與(yu) 行星科學、天體(ti) 物理學、材料物理學和聚變有關(guan) 的新知識。

但是現在，我們(men) 正處於(yu) 針對我們(men) 領域的徹底範式轉變的風口浪尖。現在可以以超過10赫茲(zi) （每秒10次）的重複頻率運行高強度短脈衝(chong) 激光器，而不是每小時運行一次！激光架構的發展和先進的冷卻方案使激光每秒可發射多次，而不會(hui) 產(chan) 生導致熱變形的熱量。

借助這種技術，高能密度實驗本身可以以很高的重複率運行，從(cong) 而通過巨大的乘法因子來增加所獲取的數據量，可以探索的測量類型以及測量的數量級。統計數據的數量級提高（從(cong) 而減少誤差線並使我們(men) 的知識更精確）。等離子體(ti) 是物質的第四種狀態，是宇宙中最普遍存在的（普通而不是暗物質）形式。由於(yu) 要考慮的等離子體(ti) 相空間非常大，因此為(wei) 該勘探提供更多的實驗通量。

當然，要使這樣的快速實驗成為(wei) 現實，不僅(jin) 必須提高激光器的運行速度，所有其他子係統也必須相應地提高速度。這就是令人興(xing) 奮的地方；在計算能力、機器學習(xi) 、認知模擬、增材製造和測量技術方麵的最新進展意味著，現在是將所有這些結合在一起以比以前更快幾百到幾千倍地執行實驗的時機。簡而言之，可以加快學習(xi) 速度，而且毫不誇張地說，這將對高能密度物理學產(chan) 生變革。

從(cong) 本質上講，將這些技術整合在一起將創建一個(ge) 知識工廠，一種高響應率的實驗激光器，通過將最先進的硬件和從(cong) 頭開始的機器學習(xi) 分析相結合，可以同時加速經驗發現和計算機模型開發以及整個(ge) 設施的端到端。

這實際上是什麽(me) 樣的？通過一係列反饋循環來概念化這樣的工廠。在高重複率下，激光工廠可靠地執行了數百萬(wan) 次發射，並處於(yu) 安全的工作狀態，同時激光的能量，脈衝(chong) 長度、焦點和其他參數不斷自動地修改所產(chan) 生的等離子體(ti) 作為(wei) 反饋回路一。代替研究生收集X射線膠片，數字化的數據在每次拍攝後立即進行分析和縮減，並反饋給目標和激光，以優(you) 化參數並修改下一個(ge) 鏡頭的目標設計作為(wei) 第二個(ge) 循環。

增材製造的進步可以“按需”產(chan) 生這些更複雜的目標作為(wei) 循環三。增強的超級計算能力和新的機器學習(xi) 技術帶來了數據分析，預測和使用高保真模擬與(yu) 實驗進行比較的新方法作為(wei) 循環4、5和6。這些協作技術使新的發現過程成為(wei) 可能。

在高能密度科學中，目標是變得更熱、更密、更好、更快，以實現天體(ti) 物理學中新的等離子體(ti) 現象狀態並創建新的物質狀態。就在過去的幾年中，我們(men) 看到了高能密度取得的一些令人興(xing) 奮的結果：通過壓縮已知的最難壓縮的材料金剛石，並測量其晶體(ti) 結構隨壓力的增加而變化，並將這些數據與(yu) 行星演化模型進行比較，證明木星的核心是由純鑽石製成。

激光驅動慣性約束聚變取得了長足的進步。我們(men) 必須達到壓力和限製時間的70％以內(nei) ，以實現持續的熱核燃燒，其中輸出能量大於(yu) 輸入能量。等離子體(ti) 正以全新的方式被操縱以充當無限通用的光學器件。想象一下，使用新的高重複率設備，每小時可以拍攝數千張照片，而不是現在每小時隻可以拍幾張照片，科學進步將有多快。確實，這將是一個(ge) 富有成果的發現之地。

超快、超強激光將徹底改變物理學，它們(men) 將成為(wei) 行星科學、天體(ti) 物理學、材料物理學、聚變等領域的“發現工廠”的心髒。如上圖所示，勞倫(lun) 斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的一個(ge) 所謂的“Hohlraum”手持微小的器械，將用強力激光對其進行爆炸，以點燃核聚變。