日本實驗室擬創造黑洞級磁場!鐳射爆100萬特斯拉,有兩大用途

天空之城 2020/10/13 檢舉 我要評論

這應該是地球上最強大的磁場,大阪大學的日本科學家村上正勝等人近日發表的論文顯示,他們試圖創造100萬特斯拉的磁感應強度,持續時間大約為10納秒,非常短暫。這個等級的磁場到底有多強,我們可以通過資料進行對比下。地球上的大多數磁場都非常低,甚至是人造磁場都不是特別強。比如我們經常接觸到醫院使用的核磁共振,其磁感應強度大約是1特斯拉,相當於1萬高斯,地球磁場為0.3和0.5高斯,這樣看地球的磁感應強度是非常低的。

圖片解讀:黑洞級磁場的模擬是揭開宇宙奧秘的關鍵一步

但是一些研究使用的核磁共振的磁感應強度可達到10特斯拉,還有一些鐳射裝置可產生1200特斯拉的磁感應強度。這些磁場放在宇宙中,也僅僅是小兒科般存在,宇宙最強大的磁場莫過於磁星等天體,磁星上的磁感應強度大約為10的11次方,相當於百億以上的規模,中子星的磁場為數十萬特斯拉。那麼100萬特斯拉的磁感應強度,大約介於黑洞與中子星之間,一些較為迷你的黑洞也只有百萬級特斯拉。

日本科學家村上正勝等人用鐳射微管爆破的方式創造了介於黑洞和中子星之間的磁場,用超強雷射脈衝激發幾微米空心管管壁中的電子,使某些電子躍入管內的空心腔中,形成內爆。這些超熱的電子在激烈的相互作用下形成電流,進而形成磁場。形成百萬級磁場的設備首先需要一個脈衝能量為0.1到1千焦耳的鐳射,總功率達到100皮瓦,這個功率遠遠超出了人類現有的超強功率鐳射,比如歐洲極限鐳射設施能提供10兆瓦的雷射器,中國的100兆瓦級雷射器仍然在製造中,日本要製造出100皮瓦的雷射器,難度可想而知。

圖片解讀:微管內爆的示意圖,日本科學家使用超強雷射脈衝照射之前,要先獲得均勻的外部磁場

圖片解讀:微管內爆方法的原理

利用超強鐳射創造的強磁場對研究基礎物理學、材料學、天文學有極大的幫助,且10納秒的時間對現代物理研究而言,也足夠使用。百萬級特斯拉的磁感應強度目前有兩大用途,第一個是在暗物質研究方面有很大的推動作用,可模擬黑洞周圍環境、宇宙大爆炸誕生之後的條件,觀察暗物質是如何形成的。暗物質的謎團牽涉到宇宙學的各個方面,如果暗物質的奧秘被揭開,那麼一連串關於宇宙運行機制的謎團也會被揭開。第二個用途是有助於可控核聚變技術的研發,最終的產品是人造太陽、可控核聚變堆。百萬級特斯拉的磁感應強度可將核聚變反應堆內的等離子體控制在一個非常小的范圍內,這也是目前控制堆內高溫等離子體的主要方法。

圖片解讀:黑洞級磁感應強度可約束聚變堆內的等離子體

日本大阪大學在強磁場的研究方面處於世界領先地位,曾經創造了實驗室最強磁場的暫態紀錄。換個角度看,對強磁場等領域的研究屬於基礎科學的一方面,需要巨大的投入,但產出需要數十年之久的時間,甚至是遙遙無期。

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