每秒2000萬億幀！科學家首次看清等離子體'抽筋'瞬間

探索宇宙奧秘 · 理性思考

人類追逐人造太陽已有半個世紀。但我們始終面臨一個尷尬困境：聚變燃料在點燃前就會"抽筋"。

這種名為電流絲化不穩定性的微觀暴亂，會讓高溫等離子體像打結的耳機線一樣自我糾纏，瞬間吸走能量，導致聚變點火失敗。

現在，美國能源部SLAC國家加速器實驗室的團隊終于拍下了這場暴亂的完整錄像。他們利用世界上最強的X射線自由電子激光，以每500飛秒一張的速度，首次實時捕捉了高密度等離子體中絲化結構的誕生與演化。

這項發表于《自然·通訊》的研究，不僅讓我們看清了阻礙可控核聚變的罪魁禍首，還在實驗室里復現了恒星爆炸時的極端磁場環境。

電流絲化不穩定性并非新鮮概念。當強激光轟擊靶材產生熱電子流時，這些高能電子會像開辟高速公路一樣向前沖刺。為了維持電荷平衡，背景冷電子必須形成回流，兩者相對運動就會撕裂成絲狀結構。

問題在于，慣性約束聚變所需的等離子體密度極高，傳統光學探針根本無法穿透。此前科學家只能在低密度環境下觀察這種效應，所得結論難以外推到真實的聚變點火場景。

SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）改變了這一局面。這臺X射線自由電子激光器產生的光子能量極高，足以穿透 solid-density（固體密度）的等離子體。研究團隊將高能激光聚焦于發絲般粗細的金屬絲上，再用LCLS的X射線束以特定角度穿透拍攝，終于獲得了絲化結構從誕生到發展的影像序列。

這項技術的精妙之處在于時間分辨率。500飛秒（即千萬億分之五秒）的曝光間隔，相當于以每秒2000萬億幀的速度拍攝電影。

在如此精細的時間切片中，研究人員觀察到微米尺度的絲狀結構如何競爭、合并，最終主導整個等離子體區域。更驚人的是，他們測得不穩定性演化過程中產生了約1000特斯拉的磁場。

這是一個什么概念？普通冰箱貼的磁場強度約為0.01特斯拉，地球磁場約為0.00005特斯拉，而醫學核磁共振儀的磁場通常在3特斯拉左右。1000特斯拉已是實驗室能夠創造的最強磁場之一，接近中子星表面的磁場環境。

這種磁場的指數級放大機制，正是天體物理學家解釋超新星爆發如何加速宇宙線粒子的關鍵假說?，F在，我們可以在實驗室里驗證這一持續了數十年的理論猜測。

對聚變能源研究而言，這項突破提供了直接的診斷工具。電流絲化會改變能量沉積的空間分布，影響燃料的壓縮對稱性。通過實時成像，科學家終于可以精確驗證哪些理論模型能夠預測不穩定性增長，從而優化激光脈沖形狀或靶丸設計。

在更宏大的尺度上，這項工作建立了實驗室天體物理的新范式。當科學家能夠用激光創造并診斷類似于恒星內部的極端狀態時，宇宙就不再只是仰望的對象，而是可以主動實驗的系統。

研究團隊已經表示，這一平臺可以擴展至研究其他類型的等離子體不穩定性，包括那些直接從聚變反應中竊取能量的模式。

中國在這一領域并非旁觀者。2017年，上海軟X射線自由電子激光裝置（SXFEL）調通出光；2021年，活細胞結構與功能成像等線站工程建成，標志著我國具備飛秒級X射線成像能力。

在聚變研究方面，中國的"神光"系列高功率激光裝置持續升級，神光-Ⅲ主機裝置已能開展類似的激光等離子體相互作用實驗。在磁約束聚變領域，EAST和HL-2M托卡馬克裝置上，我國科學家對磁流體不穩定性有著深厚積累。

當SLAC的X射線穿過那團比太陽核心還熾熱的物質時，人類又一次拓展了認知邊界。這不僅是一次成像技術的勝利，更是向能源圣杯邁出的扎實一步。而在這條賽道上，中國科學家正憑借自己的超大激光裝置，緊盯著每一個飛秒間的變化。

Christopher Schoenwaelder et al., Time-resolved X-ray imaging of the current filamentation instability in solid-density plasmas, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-025-67160-2

SLAC National Accelerator Laboratory, "X-ray platform images plasma instability for fusion energy and astrophysics," Phys.org (February 13, 2026).