本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
不久之前，我還是一名研究生，參加我的第一次高強度雷射等離子體實驗。大約每小時一次，高功率雷射會釋放出一拍瓦的能量（相當於整個美國電網輸送功率的100倍），持續時間不到萬億分之一秒，聚焦在一個直徑只有人類頭髮十分之一的微小金屬箔目標上。
強度之大，以至於我們會產生極熱且極密的等離子體——物質熱到成為離子和自由電子的氣體——用於研究我們所謂的高能量密度物理學 (HEDP)。根據實驗的不同，目標樣本的精確加熱和壓縮可以產生微小的爆炸，模擬超新星內部發生的情況。
或者，我們可以仔細選擇目標材料和結構，以產生大量的 X 射線或粒子，這對於將來驅動比今天使用的更緊湊的粒子加速器來說是理想的選擇。在某些情況下，使用巨大的光壓對材料進行極端擠壓，甚至透過完全重新排列原子和分子結構，產生了地球上從未產生過的全新物質狀態。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
但是，儘管這些研究很複雜，但整個互動和“實驗”將在轉瞬之間結束（實際上，比眨眼快 1000 億倍）。在這一小部分時間內，我們的中子、帶電粒子、X 射線和光學診斷套件將捕獲雷射與小目標及其產生的等離子體的瞬時相互作用。我們所有的研究生和博士後隨後會衝到目標區域檢索我們的資料，收集膠片並儲存來自有時多達 30 個或更多儀器的影像。
這隨後將使我們能夠推斷出我們在微型加速器中加速了多少粒子，或者新材料是處於晶體狀態還是無定形狀態，或者我們創造的超新星有多亮。在雷射冷卻所需的時間裡，我們將重置我們的裝置，更換濾光片和膠片，裝載新目標，然後在幾個小時後重複進行。在實驗室裡，美好的一天是收集到七到八個高質量的資料點。
那是 2006 年。快進到 2020 年，是的，HEDP 領域已經發展。設施變得更加通用，結合了多個雷射器，或者雷射器與 X 射線自由電子雷射器 (XFEL) 或脈衝功率機器結合使用。實驗人員開發了大量新的測量技術，能夠在超短時間和長度尺度上實現更高的精度。目標變得更加複雜和先進；它們可能由金屬固體或泡沫組成，或者由裝有氣體的胡椒大小的中空塑膠珠組成，旨在產生精確的能量和粒子特徵。所有這些新技術都導致了 HEDP 的巨大進步，產生了與行星科學、天體物理學、材料物理學和聚變相關的新知識。
但現在，我們正處於我們領域發生徹底正規化轉變的風口浪尖。高強度短脈衝雷射器現在可以以每秒 10 次以上（10 赫茲）的重複頻率執行，而不是每小時執行一次！雷射架構和先進冷卻方案的進步使雷射器能夠每秒多次發射，而不會產生導致熱變形的熱量積聚。
有了這樣的技術，HED 實驗本身可以以高重複頻率執行，導致獲取的資料量和可以探索的測量型別以巨大的倍增因子增加，並且統計資料得到數量級的改進（從而減小誤差範圍並使我們的知識更加精確）。等離子體是物質的第四種狀態，是宇宙中最普遍的（普通物質，而不是暗物質）物質形式；要考慮的等離子體相空間是巨大的，因此我們非常歡迎更多用於探索的實驗吞吐量。
當然，要使如此快速的實驗成為現實，不僅僅是雷射器必須執行得更快——所有其他子系統也必須相應地提高速度。這才是令人興奮的地方；當前在計算能力、機器學習、認知模擬、增材製造和測量技術方面的進步意味著，現在是時候將所有這些結合在一起，以比以前快數百到數千倍的速度進行實驗了。簡而言之，可以加快學習速度，毫不誇張地說，這將改變 HED 物理學。
從本質上講，將這些技術結合在一起將建立一個知識工廠——一個高重複頻率的實驗雷射器，可以透過從頭到尾在整個設施中結合最先進的硬體和機器學習分析，同時加速經驗發現和計算機模型開發。
這實際上是什麼樣子的？
我將這個工廠概念化為一系列反饋迴圈。在高重複頻率下，雷射工廠在數百萬次射擊中可靠地執行，保持在安全的操作狀態，同時能量、脈衝長度、焦點等雷射引數不斷地自動修改正在生成的等離子體（反饋迴路一）。數字化資料在每次射擊後立即進行分析和縮減，而不是由研究生收集 X 射線膠片，並反饋到目標和雷射器，以最佳化引數並修改下一個射擊的目標設計（迴路二）。
增材製造的進步“按需”生產這些更復雜的目標（迴路三）。增強的超級計算能力和新的機器學習技術導致了資料分析、預測和使用高保真模擬與實驗進行比較的新方法——迴路四、五和六。這些協同技術使新的發現過程成為可能。
在 HED 科學中，目標是越來越熱、越來越密、越來越好、越來越快，以實現天體物理學中新的等離子體現象，並創造新的物質狀態。就在過去的幾年裡，我們已經看到了一些來自 HED 的令人興奮的結果：透過壓縮金剛石（已知的最不可壓縮的材料）並測量其晶體結構如何隨著壓力的增加而變化，並將這些資料與行星演化模型進行比較，我們已經證明木星的核心是由純金剛石構成的。
雷射驅動的慣性約束聚變取得了相當大的進展；我們已經達到了實現持續熱核燃燒所需的壓力和約束時間的 70%，其中輸出能量大於輸入能量。並且正在以全新的方式操縱等離子體以充當無限通用的光學元件。想象一下，如果新的高重複頻率設施每小時可以進行數千次射擊，而不是現在每小時一次，科學進步的速度會快多少。它將是一個富有成效的發現工廠。