Ο θρύλος λέει ότι ο Αρχιμήδης συγκέντρωσε τις ηλιακές ακτίνες με ένα γιγαντιαίο κάτοπτρο και έβαλε φωτιά στο στόλο της Ρώμης που πολιορκούσε τις Συρακούσες το 212 π.Χ. Αν και πρόκειται για μύθο, την ίδια περίοδο ο Διοκλής εφεύρισκε την πρώτη αποτελεσματική συσκευή συγκέντρωσης ακτίνων φωτός: το παραβολικό κάτοπτρο. Δύο χιλιάδες χρόνια αργότερα, τα κάτοπτρα και η κβαντομηχανική συνεργάζονται για να δώσουν τις πιο εύχρηστες πηγές ισχύος υψηλής πυκνότητας: τα λέιζερ.

Το γνωστότερο των λέιζερ υψηλής ισχύος είναι το «Νόβα», που λειτούργησε στα εργαστήρια Λόρενς Λίβερμορ των ΗΠΑ από το 1985 έως το 1999. Το «Νόβα», που πήρε το όνομά του από τους καινοφανείς αστέρες (μακρινοί ήλιοι που εκρήγνυνται), είναι ένα από τα μεγαλύτερα λέιζερ που κατασκευάστηκαν ποτέ, τόσο σε όγκο, όσο και σε βάρος. Λόγω υπερθέρμανσης δεν μπορούσε να πυροδοτηθεί παρά μόνο μερικές φορές την ημέρα. Προφανώς χρησιμοποιούσε πολλή ενέργεια, για να πετύχει την υπέρ υψηλή ισχύ για την οποία κατασκευάστηκε και η ενέργεια αυτή έπρεπε να διαχυθεί μετά την πυροδότηση.

Αλλά η ισχύς είναι ο ρυθμός με τον οποίο προσφέρεται η ενέργεια, έτσι μια άλλη προσέγγιση στην υπέρ υψηλή ισχύ είναι η απελευθέρωση ενός μέτριου ποσού ενέργειας σε εξαιρετικά μικρό χρόνο. Οι παλμοί του «Νόβα» ήταν σχετικά μακρόχρονοι με τα σημερινά μέτρα: διαρκούσαν τρία ολόκληρα δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου! Χρησιμοποιώντας παλμούς διάρκειας ενός κλάσματος της διάρκειας των παλμών του «Νόβα», ένας νέος τύπος λέιζερ που χωράει πάνω σε έναν πάγκο εργαστηρίου μπορεί να προσφέρει ανάλογη ισχύ με τον ογκώδη προκάτοχό του. Για παράδειγμα απελευθερώνοντας μόλις ένα τζάουλ ενέργειας σε έναν παλμό 100 τρισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου πετυχαίνει ισχύ 10.000 γιγαβάτ, περισσότερη δηλαδή από την ισχύ όλων των εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας του πλανήτη!

Αυτά τα συμπαγή λέιζερ μπορούν να πυροδοτούνται εκατό εκατομμύρια φορές την ημέρα και μπορούν να συγκεντρώσουν την ισχύ τους πάνω σε ένα σημείο μεγέθους μόλις ενός εκατομμυριοστού του μέτρου, παράγοντας έτσι τις υψηλότερες φωτεινές εντάσεις πάνω στη Γη. Μαζί με αυτές τις τερατώδεις πυκνότητες ενέργειας παράγονται και τα ισχυρότερα ηλεκτρικά πεδία που έχει δημιουργήσει ποτέ ο άνθρωπος. Φως λέιζερ αυτής της έντασης όταν αλληλεπιδρά με την ύλη δημιουργεί τις ακραίες φυσικές συνθήκες που μπορούν να βρεθούν μόνο στον πυρήνα των άστρων ή στη γειτονιά μιας μαύρης τρύπας: θερμοκρασίες 10 δισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, μαγνητικά πεδία ενός δισεκατομμυρίου γκάους και επιτάχυνση των σωματιδίων ίση με 10.000.000.000.000.000.000.000.000 φορές την επιτάχυνση της βαρύτητας στη Γη.

Το κόστος των νέων λέιζερ είναι γύρω στο 1 εκατομμύριο δολάρια, ελάχιστο μπροστά στο κόστος των εκατοντάδων εκατομμυρίων δολαρίων των λέιζερ τύπου «Νόβα». Εξοπλισμένα με αυτά, συνηθισμένα πανεπιστημιακά εργαστήρια ακόμα και χωρών με σχετικά χαμηλούς ερευνητικούς προϋπολογισμούς μπορούν και πάλι να κάνουν «μεγάλη επιστήμη». Δεκάδες τέτοια λέιζερ έχουν κατασκευαστεί τα τελευταία χρόνια για έρευνα σε διάφορους τομείς της φυσικής, όπως πυρηνική φυσική, αστροφυσική, φυσική σωματιδίων υψηλής ενέργειας, γενική σχετικότητα. Ηδη τα νέα λέιζερ έχουν γίνει η βάση για μια σειρά νέες τεχνολογικές εφαρμογές, όπως λέιζερ ακτίνων Χ, εξαιρετικά συμπαγείς επιταχυντές σωματιδίων και ιατρική ραδιογραφία υψηλής ανάλυσης. Πολλά φαίνεται να υπόσχεται η νέα γενιά λέιζερ και στη ραδιοθεραπεία, αλλά και στην παραγωγή ενέργειας με πυρηνική σύντηξη.

Οπτική, είναι η μελέτη του τρόπου που τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με το φως. Αυτός ο ορισμός ακούγεται παράδοξος στους περισσότερους ανθρώπους που επηρεασμένοι από τα σχολικά εγχειρίδια θεωρούν ότι η οπτική έχει να κάνει μόνο με φως που ανακλάται από καθρέφτες ή διαθλάται μέσα στο καθαρό νερό μιας λίμνης. Ωστόσο, όλες οι οπτικές ιδιότητες των υλικών είναι συνέπεια του τρόπου που το φως αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια των ατόμων που τα απαρτίζουν.

Το φως με την κυματική του όψη απαρτίζεται από αλληλένδετα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που πάλλονται συγχρονισμένα σε πολύ υψηλή συχνότητα. Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία πάλλονται κατακόρυφα το ένα ως προς το άλλο και κάθετα προς τη διεύθυνση που ταξιδεύει το φως. Οταν ένα φωτεινό κύμα συνηθισμένης έντασης συναντήσει ένα ηλεκτρόνιο, το ηλεκτρικό πεδίο του κύματος ασκεί μια δύναμη στο ηλεκτρόνιο και το κάνει να πάλλεται. Το ηλεκτρόνιο πάλλεται παράλληλα με το ηλεκτρικό πεδίο και στην ίδια συχνότητα με αυτό, αλλά όχι απαραίτητα συγχρονισμένα (εκτός φάσης). Ανάλογα με το πώς είναι συνδεδεμένο το ηλεκτρόνιο με τα άτομα του υλικού, οι παλινδρομήσεις του μπορεί να έπονται ή να προηγούνται εκείνων του φωτεινού παλμού. Το πλάτος και οι φάσεις αυτών των ταλαντώσεων των ηλεκτρονίων είναι που προσδιορίζουν πώς το φως διαδίδεται μέσα στο υλικό, προσδιορίζουν δηλαδή τις οπτικές ιδιότητες του υλικού.

Το συνηθισμένο φως δεν προκαλεί ταλαντώσεις μεγάλου εύρους στα ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα η ταχύτητα παλινδρόμησής του να είναι πολύ μικρή σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός. Οταν όμως η πυκνότητα φωτεινής ισχύος ξεπεράσει το ένα δισεκατομμύριο γιγαβάτ ανά τετραγωνικό εκατοστό, η ταχύτητα ταλάντωσης των ηλεκτρονίων προσεγγίζει την ταχύτητα του φωτός και τα κβαντομηχανικά φαινόμενα αλλάζουν εντελώς την αντίδραση των ηλεκτρονίων στο φως.

Καταρχήν, η υψηλή ταχύτητα αυξάνει τη μάζα του ηλεκτρονίου, επηρεάζοντας το πλάτος και τη φάση των ταλαντώσεών του. Σημαντικότερο ακόμα είναι ότι το μαγνητικό πεδίο του φωτεινού κύματος αρχίζει να παίζει ουσιαστικό ρόλο. Ενα μαγνητικό πεδίο επιδρά σε ηλεκτρικά φορτία μόνο όταν αυτά κινούνται. Στην περίπτωση του συνηθισμένου φωτός η επίδραση είναι αμελητέα. Αλλά όταν η ταχύτητα των ταλαντώσεων πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός, τότε το μαγνητικό πεδίο του φωτός τους προσδίδει τρομερή ορμή στην κατεύθυνση που κινείται και το φως. Το γεγονός αυτό παίζει κεντρικό ρόλο στη σχετικιστική οπτική.

Η αλληλεπίδραση φωτός και πυρήνων των ατόμων μπορεί συνήθως να αγνοηθεί, γιατί τα πρωτόνια είναι 2.000 φορές πιο βαριά από τα ηλεκτρόνια και έτσι πάλλονται λιγότερο. Αλλά σε υψηλές ενεργειακές πυκνότητες, το φως προκαλεί ταλάντωση και των πρωτονίων σε σχετικιστικές ταχύτητες. Τα φαινόμενα που σχετίζονται με αυτή την ταλάντωση ίσως πρέπει να ενταχτούν στον κλάδο της πυρηνικής οπτικής, αφού ανάμεσά τους μπορεί να είναι μια πληθώρα πυρηνικών αλληλεπιδράσεων, όπως η σύντηξη.