图1所示。全光非线性康普顿散射实验示意图，展示了激光驱动的电子加速、电子-激光碰撞和康普顿散射产生伽马射线。来源：自然光子学（2024）。DOI: 10.1038/s41566-024-01550-8

在韩国光州科学技术学院（GIST）的基础科学研究所里，有一个名为相对论激光科学中心（CoReLS）的地方，科学家们取得了一项令人瞩目的成就。他们成功地展示了超相对论电子束和超高强度激光脉冲之间的非线性康普顿散射（NCS），而且这一切只用了一个激光器完成，这在以前可是需要复杂的设施才能实现的。

非线性康普顿散射是一种非常特殊的物理现象。简单来说，就是一个电子在吸收了很多个激光光子后，会发射出一个高能量的伽马射线光子。为了观察到这个现象，科学家们需要接近一个叫做“施温格极限”的极端条件，这个极限的激光强度非常强，甚至可以让时空真空“沸腾”，产生物质和反物质对。但是，目前世界上最高的激光强度还是远远低于这个极限的。

不过，CoReLS的科学家们找到了一个巧妙的方法。他们利用爱因斯坦的相对论原理，将超相对论电子束与超高强度激光脉冲相撞。在电子的“视角”里，激光的强度被放大了很多，接近了施温格极限的50%，从而引发了非线性量子电动力学（QED）现象。

为了进行这个实验，科学家们使用了CoReLS的PW激光器。他们把这束激光分成了两部分，每部分都有不同的任务。第一部分激光被聚焦在一个充满气体的电池上，这里发生了“激光尾流场加速”（LWFA）现象。就像电子在激光产生的“波浪”上冲浪一样，它们获得了极高的能量，达到了光速的99.999999%，也就是3 gev。

第二部分激光被聚焦到非常小的尺寸，只有头发直径的百分之几那么大，而且持续时间只有20飞秒（一飞秒是极短的时间单位，相当于百万分之一秒的十亿分之一）。这束激光被引导去撞击从气体池中加速出来的电子。在极短的时间内和极小的空间内，激光脉冲“震动”了电子，这些电子反弹并吸收了多达400个激光光子。然后，它们把这些能量以高能伽马射线光子的形式发射出来。

为了确保实验结果的准确性，科学家们还使用了蒙特卡罗模拟来预测伽马射线的能量，并比较了实验结果与理论预测以及超级计算机上的模拟结果。他们发现实验和模拟的结果非常一致，这证实了非线性康普顿散射的存在。

这项成就不仅代表了强场物理学和强场量子电动力学的一个重要里程碑，还为高能电子-光子相互作用提供了新的研究手段。而且，这个方法不需要传统的大型粒子加速器，这对于未来的科学研究来说是一个巨大的进步。

图2。（左）CoReLS 4-PW激光器。（右）非线性康普顿散射实验时的PW激光器控制室。来源：自然光子学（2024）。DOI: 10.1038/s41566-024-01550-8

在韩国光州科学技术学院（GIST）基础科学研究所的相对论激光科学中心（CoReLS），科学家们通过一项创新实验，让实验室中的伽马射线亮度达到了前所未有的高度——比以往任何时候都要亮1000倍。这一惊人的成果，得益于实验中大量的电子与激光脉冲之间的碰撞。

这项突破性的研究不仅让科学家们兴奋不已，还为我们理解核过程以及反物质的产生提供了新的视角。例如，它可能帮助我们更深入地探索光子-光子碰撞如何产生电子-正电子对的Breit-Wheeler过程，这是量子电动力学（QED）中一个非常有趣且复杂的领域。

这项研究被发表在了权威科学杂志《自然光子学》上，它是强场量子电动力学领域的一部分，旨在更深入地理解在强背景场中的量子电动力学现象。这些实验室中的现象，实际上在天体物理对象中非常常见，比如磁星、超新星以及黑洞附近的区域。

回想起1996年，在SLAC（斯坦福直线加速器中心）进行的一次类似实验，那时科学家们使用了一公里长的加速器，但激光的强度却远远不及这次。尽管如此，那次实验仍然为今天的成就奠定了重要的基础。

现在，随着科技的进步，越来越多的加速器设施和激光实验室开始计划进行类似的实验。比如，德国的DESY（LUXE项目）、美国的SLAC（FACET II）、以及即将建成的多千兆瓦激光设施，如法国的阿波罗、中国的极光站、罗马尼亚的ELI-NP、捷克共和国的ELI-Beamlines，以及美国的Omega EP OPAL和ZEUS等。

这些实验设施将为我们提供更强大的工具，去探索和验证量子电动力学中的各种现象和理论。而CoReLS的这项研究，无疑为这一领域的发展注入了新的活力和动力。它不仅展示了激光-电子束碰撞的巨大潜力，还为我们理解宇宙的奥秘提供了新的线索和视角。