2022年12月5日凌晨1点刚过，美国国家点火装置(NIF)的实验物理学家戴夫·施洛斯伯格(Dave Schlossberg)被一个电话吵醒。按照计划，当晚将进行一项使用NIF大型激光器的聚变实验。几个小时前上床睡觉时，他告诉团队中的物理学家亚历克斯·齐尔斯特拉(Alex Zylstra)，“如果有什么有趣的事情发生”，就给他打电话。现在，齐尔斯特拉看到的数据与该机构之前记录的数据不同。它们似乎表明，科学家们在长达数十年的探索中，在复制为太阳提供动力的能源方面取得了里程碑式的进展。施洛斯伯格接了电话。“我认为发生了一些有趣的事情，”齐尔斯特拉说。

　　加州利弗莫尔的研究人员花了13年多的时间试图实现聚变点火，但失败了，这意味着该反应输出的能量比科学家投入的要多。一些专家观察家认为这永远不会成功。然而，就在那里，在该设施的实验数据库中有证据。凌晨1:03:50,NIF的192束强大激光束将2.05兆焦耳(MJ)的能量投射到一个小金圆柱体上，该圆柱体将紫外线辐射转化为强大的x射线，包裹着一个胡椒大小的钻石胶囊，内含两种氢同位素，氘和氚。在最短暂的瞬间，胶囊内部的密度下降到铅的100倍，迫使氢原子聚变成氦，将少量的质量转化为巨大的能量。大约70万亿分之一秒后，太空舱爆炸，释放出3.15兆焦耳的能量，相当于三根炸药。

　　这一结果是一个科学奇迹，自20世纪50年代科学家首次开始讨论利用受控核聚变发电的想法以来，研究人员一直希望在实验室中创造出这一壮举。这个想法——通过将氢原子粉碎形成氦来复制为恒星提供燃料的反应——理论上可以提供几乎无限的、零排放的电力，而且没有核裂变反应堆的安全风险或废物处理问题。然而，在实践中，科学家和工程师们几十年来一直无法在实验室中证明这一过程。

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　　自2009年投入使用以来，NIF一直在寻求一种方法来应对这一挑战:用强大的激光束撞击这些氢原子，以达到点火的目的，正如该设施的名字所暗示的那样，这是该技术被用作清洁能源的关键一步。现在，15年过去了，人们重新燃起了梦想有一天会实现的希望。

　　并不是说研究人员接近于使用他们在体育场大小的设施中制造的任何能量来为任何东西提供动力。NIF不是一个发电厂，它的大型激光器从电网中获取的电力(比它们在目标室输出的电力多出数百倍)远远超过了它所希望产生的任何电力。尽管如此，12月的那一天还是取得了重大突破。随着消息的传出，核聚变热传遍了全世界;美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆称这是21世纪最重要的科学里程碑。聚变能源的企业家们沉浸在他们领域新发现的希望之中。

　　但是，即使在庆祝的过程中，NIF的压力也在增加，要求迅速复制这些结果，以证明这个开创性的实验不是偶然的，然后推动更高的聚变能产量。在过去的一年里，《时代》周刊跟随NIF的科学家们走过了点火后的旅程——艰难与骄傲、沮丧与欣喜，见证了研究人员的聪明才智和决心，以及政府资助的企业在推动艰难的科学努力方面的独特作用。这也提醒我们，巨大而严峻的挑战依然存在:将最近的突破转化为清洁能源，在还有时间的时候帮助扭转人类的气候困境。

　　安妮·克里彻(Annie Kritcher)经常会在半夜醒来，想出一些新想法，把它们植入她的模拟中。“我丈夫认为这是一种强迫症，”克里彻说。“有时候我会和孩子们一起玩，然后我意识到我并不是在和他们一起玩。他们说，‘妈妈，你只是站在那里。’我脑子里一直在讨论模拟。”

　　作为一名设计物理学家，她的工作是使用计算机模型来预测激光脉冲波长和功率的调整，对燃料舱和周围金腔的调整，以及无数其他潜在的变化，可能会以正确的方式将氢原子挤在一起，从而产生核聚变反应。

　　克里彻设计了2021年8月的NIF实验，该实验使用1.9 MJ的输入激光能量产生了创纪录的1.3MJ的聚变能——这一成功要归功于调整，包括将更多的输入能量转移到激光射击的后期。这一结果使NIF的科学家们处于点火的临界点。之后，该设施开始准备实验，将老化的激光器推向更高的能量水平。激光被设计为输出1.8兆焦，技术人员已经能够将其达到1.9兆焦。现在，通过增加NIF中使用的更多特殊玻璃面板来放大激光的能量，他们相信他们可以将这些光束增加到2.05兆焦耳。这听起来可能微不足道。但是当聚变实验中输入的能量增加时，输出的能量会呈指数增长。研究人员认为，额外的0.15MJ激光能量可能足以打破点火障碍。

　　克里彻想出了一个计划，主要是通过增加目标胶囊的厚度来利用额外的激光能量。9月的一次实验失败了——燃料内爆成煎饼的形状，仅产生1.19兆焦耳的能量。克里彻称之为“早餐食品”的错误，是NIF的现实生活:理想情况下，激光会将聚变燃料压缩成一个均匀的球体，施加最大的压力迫使氢原子聚集在一起，但有时你最终会得到煎饼、香肠和熊爪形状的内爆，这导致能量减少。该团队对激光进行了一些调整，包括调整波长。然后，在2022年12月5日的那个清晨，他们又试了一次——成功了。

　　克里彻说，当她听到这个消息时，她哭了。“我当时处于一种冻结的狂喜状态。我的笑容持续了一个星期。”

　　取得这样的成绩是一条漫长而艰难的道路;2013年，从一次反应中获得14千焦耳的能量是一项令人印象深刻的壮举，不到去年12月释放能量的0.5%。“这一切都有点超现实，”参与该项目的科学家之一阿特·帕克(Art Pak)说，“意识到你已经研究了十年的东西，人们已经研究了60年的东西，就在这里。”

　　但科学不是一次性成功的。为了表明你真的理解了一种现象，你必须能够一次又一次地再现它。但随后的点火尝试不断失败。NIF面临的一个困难是在实验的微小钻石靶胶囊中填充氘和氚原子，这需要使用不到人类头发宽度的百分之一的管子。如果氢同位素在通往测试室的途中泄漏，太空舱就会失去作用。许多太空舱都出现了故障。克里彻说:“每次失去一个目标，我就会彻底崩溃。“你跟踪这些目标，就像他们是你的孩子一样。”

　　帕克试着不让这些失望影响到他——他对项目早期艰难的失败已经很熟悉了:“只是因为你努力工作，你做了所有你认为正确的事情，有时事情就不会成功，”他说。“不要把你的自我价值和个人幸福和实验物理联系在一起。”

　　然而，随着冬去春来，内部的挫折和外部的压力也在增加。尽管多年来进展缓慢，但NIF在国会的支持者一直主张建立该设施;现在他们希望研究人员能够证明他们可以重复2022年12月的成功。批评该计划的声音越来越大。NIF主任金?布迪尔(Kim Budil)表示:“这个项目长期以来一直受到反对者和对手的反对。”“他们认为这是一种愚蠢的做法，而我们则傲慢得可笑。”

　　Budil说，NIF团队也有一种对公众的责任感。政府已经为其提供了数十亿美元的资金，实验室领导层认为，美国纳税人应该尽快取得后续成功。3月，Budil召集了核聚变项目的领导层。“我引入了一个新术语，叫做‘点火财政年度’，”布迪尔说。“如果不重复这个实验，我们就无法在点火财政年度结束之前”——也就是2023年12月之前。

　　今年6月，该设施的科学家们进行了一项差一点就要点火的实验:然后，在7月30日，研究人员终于设法超越了他们12月5日的结果，在2.05兆焦耳的激光输入下产生了3.9兆焦耳的能量，创造了新的纪录。接着是集体呼气。“这个结果不是侥幸，”Budil说。“能够说‘我们做到了’是一件很棒的事情。接下来是什么?’”今年10月，研究人员取得了一个可以说更为重要的结果。利用一种新的实验设计，该设施的科学家们成功地实现了2.4兆焦耳的产量——仅用1.9兆焦耳的激光能量。“我们开始更全面地了解这些系统是如何工作的，”帕克在结果出来后告诉时代周刊。“在一种情况下，你从一个更大的锤子开始，你更用力地敲击东西。在另一种情况下，你非常仔细地瞄准，你做得很好。”

　　在NIF于2009年开放多年后，这座巨大的建筑上悬挂着一条旗帜，毫不掩饰它的目的:“将明星的力量带到地球。”大多数关于该设施成功与失败的报道和评论，反过来都集中在这个口号所隐含的目标上:开发新的、改变世界的能源技术。

　　然而，现实是复杂的。NIF的建造成本为35亿美元，其每年约3.8亿美元的运营预算来自美国能源部下属的国家核安全局，该机构负责维护美国的核储备。NIF建设的主要动力是，该设施强大的激光点燃的聚变反应有望产生数据，帮助美国在不进行地下核试验的情况下维持其核武库。NIF领导层强调，核聚变能和基础物理学的进步是这项工作的重要共同利益——在某些方面，这三个目标确实是不可分割的。然而，从根本上说，推动广泛的新科学研究和推进核聚变能源的动力排在第二位。“NIF的目的是我们的核威慑，”NIF武器物理和设计项目主任马克赫尔曼说。“这没有如果、手或但是。”

　　尽管如此，NIF的科学家们表示，他们的工作可能对聚变能发展的所有分支都是一个科学福音。施洛斯伯格说:“我们正在探索从未在受控实验室环境中进行过的科学和物理反应。”“以前从来没有人这样做过。”事实上，点火的成功刺激了公共部门的投资，也刺激了私人聚变领域的兴奋，尽管高利率已经从新的风险资本资金中抽走了一部分。

　　与此同时，去年全球创纪录的气温——这是全球变暖加速的一个迹象——使得核聚变能源可以成为解决气候危机的万金油的想法更加有效。企业家们接受了这一框架，一些人承诺在未来五年内投入商业核聚变发电厂的运营。学术研究人员往往给出更为谨慎的时间表，通常是20年。老笑话是一个痛点:聚变能源是未来的能源，而且永远都是。

　　NIF点火的成功，以及随后几个月的进展，证明了核聚变能源的长期希望可能会得到证实，甚至可能在人类将排放降至零、避免气候变化最坏影响的短暂时间内实现。但正如NIF的历史所表明的那样，科学进步是一件善变的事情。亚原子世界没有时间表。按照某种规律，NIF的研究人员正在制造微小的、纳秒级的恒星。但我们还有很长的路要走。

　　NIF的很多人都谈到，在取得巨大成功之后，人们的期望几乎会立即上升，无论是对科学家本身，还是对更高层次的行政和政治监督。“当事情进展顺利时，我们很高兴，”克里彻说。“但随后你几乎立刻就会进入这种状态(问)，‘我该如何让它变得更好?’”

　　劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的前主任约翰·纳科尔斯(John Nuckolls)是美国政府实验室的传奇人物。早在20世纪60年代，他就提出了使用激光驱动核聚变反应的最初想法，当时这是一项新发明。92岁高龄的他仍然偶尔来实验室工作。2022年12月拍摄成功后，布迪尔向努科尔斯表示祝贺;他的回答是问她，研究人员什么时候才能超越它，达到5兆焦耳的能量产出。

　　“别再开新闻发布会了，”Budil回忆他说。“我们去工作吧。”

　　大约一年来，NIF一直在为一项新的实验做准备，这项实验将进一步推动该设施，技术人员将14岁的激光器升级到2.2兆焦耳的能量。该实验室每年只能进行几次这种超级能量的射击，因为它们损坏设备部件的速度比更换它们的速度要快。“2.05 [MJ]把它变成了11，”Town说。“2.2(乔丹)正在把它变成12。”

　　在第一次2.2兆焦耳的聚变试验之前，NIF的科学家们预测能量产量可能达到10兆焦耳左右，比去年的试验产生的能量多三倍——假设一切按计划进行，这种情况在第一次很少发生。

　　在这次测试之前，Pak提到了NIF早期的情况，当时该设施的预测模型和实验现实相距甚远。从那时起，他们已经取得了长足的进步，但还没有到能够完美地预测在过热、纳秒的聚变点火世界中可能出现的所有问题的地步。“鉴于我过去的经历，我认为最好不要抱太大希望，”帕克说。“低期望值，你就永远不会失望。”

　　10月30日，研究人员点燃激光，用2.2兆焦耳的紫外线轰击目标胶囊。实验实现了点火，爆炸释放了3.4兆焦耳的能量，这是该设施有记录以来的第二高当量。

　　从一个有利的角度来看，这是一次巨大的成功。从另一个角度来看，这是一个失败:后续数据显示燃料内爆中存在复杂的不对称，部分是香肠，部分是煎饼。布迪尔一直希望在乔丹的第一个2.2英寸的投篮中打破5英寸。下一次尝试暂定在2月份。“我的期望越来越高，”她说。

　　第一次尝试失败的问题应该是可以解决的，尽管研究人员警告说，解决复杂的不对称可能很棘手。核聚变科学发展迅速，也许比以往任何时候都要快。但这并不意味着进步来得容易。

　　“可行吗?”Town说在即将到来的第二个2.2 MJ实验中解决这些问题。“好吧，我们试一试。”