尽管它很难控制， 令人生畏， 这个比传统激光强大百万倍的核激光已不再是人们的梦想——
在得克萨斯州达拉斯的一个物理实验室里，一个铪小孔被旧的X射线机的辐射所轰击，银色金属的几个原子放射出几束γ射线。你也许以为这无足轻重，然而这个实验室所提供的可能是—门新科学诞生的证据。这门新科学叫作“量子核子学”，它可以导向原子尺度的电子元件、核动力火箭， 还可以导向γ射线激光——一种比任何普通激光强大百万倍的光子源。
要控制γ射线，就必须学会控制原子核里发生的事件。我们必须用比在核弹或核反应中所应用的精密得多的办法来从事这项工作。组成各种原子核的核子（质子和中子）行为很像原子中的电子轨道，在那里量子力学性质把它们限制在一组精确的能级上。它如同梯子的梯级，但是各核子梯级比起各电子梯级来分离得更远，它们大约是电子梯级的百万倍。因此，当核子降落到较低梯级时，它放出一个光子的能量比电子做同样的事情时放出的能量要高出百万倍。它放出的不是可见光的光子，而是γ射线的光子。
核衰变是随机事件。关于它在什么时候发生，我们所能说的是各类核子具有一种特征半衰期，即样品中一半的核子衰变所需要的时间。产生—可控y-射线源所提出的挑战是，要找到一种能缩短某种特殊核子的半衰期的办法，使它们按原定时间提前衰变。“教科书上说核子的半衰期是铁板上钉钉子，无法改变，”得克萨斯大学的C ·柯林斯（C. Collins）说；“我们已经证明这种说法是错误的。我们最新的实验已经使铪-178释放出γ射线脉冲，我们已经找到了制造r射线闪光灯泡的办法。”目前他正领导着一个人员来自美国、俄罗斯、乌克兰、罗马尼亚、法国的研究组。
研究组应用了一种特殊的叫同质异能素的核子状态。激发的核子状态只在衰变前出现一刹那，因此不能用来储存能量。但是有些核子能够用一种叫自旋的量子力学性质在长寿命的激发态下囚禁起来。例如，当核子在一次碰撞中得到额外的能量时，中子和质子就会旋转得更快。有时这些旋转增快，致使整个核子比它在基态时多出几个量子自旋单位。如果这时核子放出γ-射线而落回基态，那么γ-射线光子一定不只带走额外能量，还带走额外的自旋。但是光子很少带走多于一个量子单位的自旋，因此核子仍然固定在它的激发态上。
逃脱囚禁
许多同质异能素发生在变形的雪茄状的核子中，在那里起作用的是第二囚禁机制。量子力学指出，自旋必须取相对于核子轴线的特定的精确排列。如果这些排列在激发态时与在基态时不同，那么逃逸的γ射线光子一定会把自旋正确地改变过来。
有一种这样的囚禁核子是钽-180。它是一种稀有的但却是自然发生的元素73的变型。差不多各个钽-180核子都有一同质异能素能量状态一一高 出基态0. 075 MeV（7. 5万电子伏），其自旋高出8个量子单位。一个光子要取走这么大的角动量的现象是非常稀少的；因为钽的半衰期不是一刹那，而是至少1015年——是 宇宙年龄的10万倍。每个核子像一只用0. 075 MeV充了电的电池。
在1988年，柯林斯和他的多国成员组开始让电池放电。获得这一成果的关键在于有着比同质异能素态能量更高的所谓“K-混合态”。量子系统有让具有相同能量的两种状态同时存在的能力。这种状态叫混合态，没有人完全理解K-混合态。但是柯林斯推测，在给定能量下，核子可以有两种不同的形状——像雪茄的扁长形或像薄烤饼的扁圆形，核子在两种状态转换中消耗时间，这时就产生K-混合态。在两种状态“中间”的刹那间，核子是球形的。因为一个球没有优先的轴线，核子的自旋方向不受限制，对于被γ-射线带走的自旋就不再有什么约束。
因此，释放长寿命的同质异能索，只须把它提升到K-混合态就行了，它可以从那里衰变到基态。钽-180具有一高出同质异能素态约2. 5 MeV的K-混合态，这样柯林斯和他的同事们就用2. 5 MeV的γ-射线快速轰击钽-180而获得成功。可以把核子设想作囚禁在山谷（同质异能素态）里的一只球，这个山谷与别的较深的山谷（基态）被山分隔开来。一旦球被提升到山顶的K-混合态，它就能够滚下来到达谷底。
有一个极其重要的情况是，大自然提供了现成的充了电的钽-180。柯林斯组是在得克萨斯一个普通实验室里进行核电池放电的。这种核电池放电其实在地球诞生前10亿年就有了，那就是宇宙间最暴烈的事件之一，即超新星。巨星以这些巨大而炽热的爆炸结束其生命。在10亿度以上的高温下，质子被迫形成重元素，产生新的同位素和核状态，然后散布到整个星系。
不巧，钽-180的同质异能素态只比基态高0. 075 MeV，而巨大的K-混合态则比同质异能素态高2. 5 MeV。这意味着几乎投入每个核子的能量必须与放出的能量一样多，这是很小的一点空间损耗。
柯林斯和他的同事们已用另一种核——铪-178的同质异能素进行补救，它高出基态2. 44 MeV，半衰期31年。在此状态下，两个质子和两个中子绕雪茄状核的中心轨道旋转。新墨西哥州阿拉莫斯实验室的物理学家们已用质子束照射目标制成4微克的同质异能素。柯林斯观察后认为它是非常珍贵的材料。
这样，K-混合态只高出同质异能态20 KeV（千电子伏），因此一核子从同质异能素态上升到K-混合态后将释放出来的能量会是投人能量的大约100倍。为了给予它这个必不可少的能量，柯林斯组用老式X-射线机（牙科医生曾经使用）提供1. 5秒的脉冲来射击铪。柯林斯说：“这是桌面上的物理学，天下哪来这等好事！”
1月份，柯林斯报告，铪-178从K-混合态衰变，由能量阶梯一级一级地撞击下来，放射出几个光子，其中包括能量为495 KeV的一个。这个组检测了495 KeV光子放射的增长情况，推断铪-178的衰减速率，其通常自发速率约为每秒4个。这虽不很多，但它是迈向可控而光亮的γ-射线源的一个步骤。“用这样一个低能触发器获得如此巨大的能量，是一个重大突破。”柯林斯说。
物理学家威尔克尔（Walker）提醒说：“确实存在释放能量比输入能量多的某种证据；但要使人确信无疑还有待时日。”他指出，原则上，同质异能素在紫外和光学波带上是可以被较低能量的光子所触发的。如果搞得确实无疑，它自然是非常激动人心的。
那么，是什么使人那么激动？如果能设法得到受控制的γ-辐射源，它会有什么用处？首先，它使你能在原子尺度，上对物质进行处理，使制作毫微机和不可思议的小电子器件成为可能，它还可能用于制造量子计算机。“要是没有明亮的可以开关的γ-射线源，做这些事情就难以想象，”柯林斯说。有了它，电子元件，甚至三维结构如小马达都可以用明亮的光透过马赛克在基底上的投影来制成。光投射处引起化学变化，使基底抗酸。把它浸泡在酸中，未曝光部分被销蚀掉，留下的是所需要的元件。
麻烦在于，光在结构周围集中，而结构的大小与光的波长相近，这就使投影模糊起来，因而限制了精密性要求的实现，而制造小元件就是靠这种精密性。制造较小结构的办法是应用较短波长的光。原子尺度的元件，比今天能够得到的最小元件还要小1000倍，这就需要用γ-射线。
核火箭
柯林斯认为现在事情刚刚开始，处理原子和化学的一切问题都必须从核层次上对它们进行比较。但是核控制意味着控制已知能量的最密集状态，即比任何化学燃料密集百万倍。
“我们讨论的是安全的核能释放，还要求没有核废料，”威尔克尔说。巨大的同质异能素发电站大概还没有提上议事日程。钽-180原则上可以从地壳中开采出来，但是它很稀少，能量释放的效率又很低。可能性更大的意见是，量子核子学会成为一种新形式核火箭推进器的基础。裂变和聚变动力火箭是20世纪50年代考虑的，但是由于把核反应器或核弹送上轨道的危险性而把它取消了。核同质异能素火箭应当比它安全得多。引发γ-辐射会把吸收器加热到约3000℃，它转而加热工作液，如水或氨，使它们蒸发、弥散，以致以超高速膨胀通过火箭喷咀而产生推力。总有一天，同质异能素火箭会带着探测器去到别的恒星。
但是量子核子学的“圣杯”是γ-射线激光。这个观念是柯林斯的同事、莫斯科无线电自动化工程学院的L ·里伏林（L. Rivlin）在1961年提出的。这个装置的第一个步骤是要获得γ-射线的受激放射。这就是说，衰变的核所放出的光子必须触发别的核衰变，在链锁反应中放出更多的相同的光子。如果这个过程效率足够高，就会产生γ-射线光子洪流，γ-射线激光也就应运而生。
魔 术
这个过程需要“粒子数反转”。这就是说，必须有许多核子处于升高了的能量状态，相对来说比较少的核子处于它们要衰变到那里去的能量状态。这时一个跃迁能量（两种状态的能量差）光子能触发核子使之放出别的光子。这些光子不可能被较低能量状态的核子所吸收。
柯林斯希望它在铪-178的8-光子衰变中出现。如果从高能量级到中等能量级的衰变速度慢，而从中等能量级到基态的衰变速度快，那么高能级的粒子数就可以积聚增多；与此同时，中等能级则几乎是空的。即使这种情况不在铪-178中出现，必然还有许多别的同质异能素可供试用。“我相信总有某个地方存在着这样的核系统，"柯林斯说。“难办的是，要预言像核那样的多体系统是超出现有能力的。这件事与其说是科学不如说是魔术（窍门）。"
γ-射线激光不会放射出稳定的光束。在连续波激光中，镜子将光来回反射，以建立动力，再让它慢慢泄放出来。但是在已知物质中没有什么能用来作γ-射线的镜子。相反，γ-射线激光要用一根物质长柱，这样，从柱的一端出发的光子细流才有机会汇集成洪流。“你获得的是像脉冲激光那样的一次闪光。”柯林斯说。脉冲之后，核燃料被消耗了，就需要替换。“正如应用可消耗的化学燃料煤或油一样，”柯林斯说：“这样的激光明天还不会成为现实。”γ-射线激光还可以用于原子全息照相，在原子或分子尺度上储存信息，或者还可以用它们来模拟超新星γ-射线爆发的极端条件。
有一个困难是，柯林斯组的成员来自5个国家的实验室，每年聚会两次，每次进行一个月的紧张工作。“即使我们能常年在一起研究这个课题，也说不出我们的进展会有多快，"他说。对这个课题，别的研究者可能有更多的源。美国军事部门已经在关注这件事。华盛顿D · C海军研究实验室已下令禁止它的研究人员公开谈论γ-射线问题。“我对这个消息保持绝对沉默，”柯林斯说。担心在对γ-射线激光的展望中造成误导的不光是柯林斯。“一想到在桌面上可以释放如此巨大的能量，不觉心惊肉跳，”威尔克尔说。
自然，军事上关注γ-射线激光的观念是可以理解的。在20世纪80年代，E ·戴劳（E. Teller）等人提出太空基X-射线激光的可能性。它可以在苏联核导弹发射后的短时间内将其摧毁。他们设想的装置需要有一颗核弹作为动力，由于技术上的困难，他们终于放弃了这个观念。也许γ-射线激光比它更为实用。或者这件事并不发生，而γ-射线激光却另有某种与此十分不同的应用——梦想不到的应用。“谁也不知道，在第一台γ-射线激光器出现时会怎样处置它，”物理学家里伏林说。“让我们等着瞧吧。
[ New Scientist，1999年7月3日]