本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
不久之前，我还是一名研究生，参加我的第一次高强度激光等离子体实验。大约每小时一次，高功率激光会释放出一拍瓦的能量（相当于整个美国电网输送功率的100倍），持续时间不到万亿分之一秒，聚焦在一个直径只有人类头发十分之一的微小金属箔目标上。
强度之大，以至于我们会产生极热且极密的等离子体——物质热到成为离子和自由电子的气体——用于研究我们所谓的高能量密度物理学 (HEDP)。根据实验的不同，目标样本的精确加热和压缩可以产生微小的爆炸，模拟超新星内部发生的情况。
或者，我们可以仔细选择目标材料和结构，以产生大量的 X 射线或粒子，这对于将来驱动比今天使用的更紧凑的粒子加速器来说是理想的选择。在某些情况下，使用巨大的光压对材料进行极端挤压，甚至通过完全重新排列原子和分子结构，产生了地球上从未产生过的全新物质状态。
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但是，尽管这些研究很复杂，但整个互动和“实验”将在转瞬之间结束（实际上，比眨眼快 1000 亿倍）。在这一小部分时间内，我们的中子、带电粒子、X 射线和光学诊断套件将捕获激光与小目标及其产生的等离子体的瞬时相互作用。我们所有的研究生和博士后随后会冲到目标区域检索我们的数据，收集胶片并保存来自有时多达 30 个或更多仪器的图像。
这随后将使我们能够推断出我们在微型加速器中加速了多少粒子，或者新材料是处于晶体状态还是无定形状态，或者我们创造的超新星有多亮。在激光冷却所需的时间里，我们将重置我们的设备，更换滤光片和胶片，装载新目标，然后在几个小时后重复进行。在实验室里，美好的一天是收集到七到八个高质量的数据点。
那是 2006 年。快进到 2020 年，是的，HEDP 领域已经发展。设施变得更加通用，结合了多个激光器，或者激光器与 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 或脉冲功率机器结合使用。实验人员开发了大量新的测量技术，能够在超短时间和长度尺度上实现更高的精度。目标变得更加复杂和先进；它们可能由金属固体或泡沫组成，或者由装有气体的胡椒大小的中空塑料珠组成，旨在产生精确的能量和粒子特征。所有这些新技术都导致了 HEDP 的巨大进步，产生了与行星科学、天体物理学、材料物理学和聚变相关的新知识。
但现在，我们正处于我们领域发生彻底范式转变的风口浪尖。高强度短脉冲激光器现在可以以每秒 10 次以上（10 赫兹）的重复频率运行，而不是每小时运行一次！激光架构和先进冷却方案的进步使激光器能够每秒多次发射，而不会产生导致热变形的热量积聚。
有了这样的技术，HED 实验本身可以以高重复频率运行，导致获取的数据量和可以探索的测量类型以巨大的倍增因子增加，并且统计数据得到数量级的改进（从而减小误差范围并使我们的知识更加精确）。等离子体是物质的第四种状态，是宇宙中最普遍的（普通物质，而不是暗物质）物质形式；要考虑的等离子体相空间是巨大的，因此我们非常欢迎更多用于探索的实验吞吐量。
当然，要使如此快速的实验成为现实，不仅仅是激光器必须运行得更快——所有其他子系统也必须相应地提高速度。这才是令人兴奋的地方；当前在计算能力、机器学习、认知模拟、增材制造和测量技术方面的进步意味着，现在是时候将所有这些结合在一起，以比以前快数百到数千倍的速度进行实验了。简而言之，可以加快学习速度，毫不夸张地说，这将改变 HED 物理学。
从本质上讲，将这些技术结合在一起将创建一个知识工厂——一个高重复频率的实验激光器，可以通过从头到尾在整个设施中结合最先进的硬件和机器学习分析，同时加速经验发现和计算机模型开发。
这实际上是什么样子的？
我将这个工厂概念化为一系列反馈循环。在高重复频率下，激光工厂在数百万次射击中可靠地运行，保持在安全的操作状态，同时能量、脉冲长度、焦点等激光参数不断地自动修改正在生成的等离子体（反馈回路一）。数字化数据在每次射击后立即进行分析和缩减，而不是由研究生收集 X 射线胶片，并反馈到目标和激光器，以优化参数并修改下一个射击的目标设计（回路二）。
增材制造的进步“按需”生产这些更复杂的目标（回路三）。增强的超级计算能力和新的机器学习技术导致了数据分析、预测和使用高保真模拟与实验进行比较的新方法——回路四、五和六。这些协同技术使新的发现过程成为可能。
在 HED 科学中，目标是越来越热、越来越密、越来越好、越来越快，以实现天体物理学中新的等离子体现象，并创造新的物质状态。就在过去的几年里，我们已经看到了一些来自 HED 的令人兴奋的结果：通过压缩金刚石（已知的最不可压缩的材料）并测量其晶体结构如何随着压力的增加而变化，并将这些数据与行星演化模型进行比较，我们已经证明木星的核心是由纯金刚石构成的。
激光驱动的惯性约束聚变取得了相当大的进展；我们已经达到了实现持续热核燃烧所需的压力和约束时间的 70%，其中输出能量大于输入能量。并且正在以全新的方式操纵等离子体以充当无限通用的光学元件。想象一下，如果新的高重复频率设施每小时可以进行数千次射击，而不是现在每小时一次，科学进步的速度会快多少。它将是一个富有成效的发现工厂。