轉(zhuǎn) 現(xiàn)實中的光劍不可能的物理學(xué).doc

轉(zhuǎn) 現(xiàn)實中的光劍 不可能的物理學(xué)文字和部分圖片由美國Discovery探索頻道提供這是一把可以征服宇宙的武器。它威風(fēng)凜凜，所向披靡；它發(fā)出具有神奇能量的光束，由不可見的神秘之力驅(qū)動，仿佛操縱著閃電的原能量?？梢郧虚_宇宙之內(nèi)的一切東西；所有的科幻電影迷都為之傾倒。它到底是科幻故事，還是普通人真正能擁有的超酷武備?對于大多數(shù)星戰(zhàn)迷來說，削鐵如泥的光劍不但是杰迪武士的象征，更是他們夢寐以求的寶物。光劍可以說是最受歡迎的電影武器。它耀眼的光芒和獨特的嗡嗡聲令全世界的星戰(zhàn)迷為之傾倒。在物理研究領(lǐng)域聲名赫赫的加來道雄博士將替自己，并替這些星戰(zhàn)迷完成任務(wù)，找到制作一柄光劍的秘密：希望我的光劍能令最挑剔的評論家滿意。在星戰(zhàn)系列電影中，光劍看上去只是一支30cm長的金屬把手，把手內(nèi)部裝有能量匣和不同形狀的晶體。能量匣產(chǎn)生的能量流經(jīng)水晶的激發(fā)聚焦后，經(jīng)反射形成一束約一公尺長能量光束，它可以切穿宇宙中一切物質(zhì)，而也只有另外一把光劍能擋住它。光劍的光束可以劈開空氣使其離子化，并發(fā)出嗡嗡的聲音，這就是為什么光劍被星戰(zhàn)迷揶揄為日光燈管的原因。經(jīng)過多年的練習(xí)之后，杰迪武士才能熟練使用光劍。加來道雄博士(圖中)是位杰出的物理學(xué)家，他因善于讓復(fù)雜深澀的物理學(xué)概念變得通俗易懂而聞名。加來道雄博士將通過實際操作，檢視那些長久以來令全世界的科幻迷們興奮又困惑的科幻情節(jié)，而這次的任務(wù)是，現(xiàn)代科技可以制造光劍了嗎?光劍是所有星球大戰(zhàn)系列科幻片影迷們夢寐以求的寶物。光劍威風(fēng)凜凜，所向披靡；它發(fā)出具有神奇能量的光束，由不可見的神秘之力驅(qū)動，仿佛操縱著閃電的原能量?？梢郧虚_宇宙之內(nèi)的一切東西。光劍在電影中征服了宇宙，之后也征服了所有影迷的心。打造一把光劍可是艱巨的任務(wù)。加來博士打算把它分解成幾個基本的部分：第一，劍柄要足夠大，能裝下光劍的能源；第二，劍刃要91厘米長，亮晶晶的劍刃能切開任何物質(zhì)，它也是這武器中最關(guān)鍵的部分，打造劍刃就是打造光劍的關(guān)鍵所在。對于劍刃的材料，科幻迷有清晰的認(rèn)識-光劍是一種激光武器，而激光確實可以切開2.5cm厚的鋼板，聽上去打造光劍并非不可完成的任務(wù)。激光是勻速前行的光粒子，灌入的能量越多，光粒子就越強(qiáng)大。所以理論上說，激光劍能產(chǎn)生的能量是無窮無盡的。打造激光劍的第一步是產(chǎn)生光束。加來博士：我需要一種夠堅硬，又足夠小的物質(zhì)，好裝入我的光劍劍柄里。我們會猜想，光劍里面含有一些尚待科學(xué)界發(fā)現(xiàn)的神秘的能源，加來博士相信，能量來自某種水晶或是劍里面的什么物質(zhì)：我相信，是水晶產(chǎn)生了劍刃的實體。在喬治盧卡斯導(dǎo)演的星球大戰(zhàn)系列電影中，杰迪武士必須前往伊冷星尋找神秘的水晶來制造光劍。還好，加來博士不必去外太空收集水晶。在他工作的紐約城市大學(xué)，他們可以自己炮制。水晶的化學(xué)成分為二氧化硅，晶體硬度為摩氏7，常呈六棱柱狀，柱體為一頭尖或兩頭尖，多條長柱體連結(jié)在一塊。水晶是理想的集束物質(zhì)，它堅硬、抗熱、體積小、易于裝入光劍的劍柄。僅6mm大的水晶晶體就能產(chǎn)生出十億瓦的激光束。加來博士打算把水晶晶體裝到劍柄中，再輸入足夠的能量。然而，用這種方法制成的光劍似乎不是科幻迷們心中的經(jīng)典款式：它的光束不能凝固成劍刃，而當(dāng)兩條激光束交錯時，也只是穿過去，劍刃并不像星球大戰(zhàn)里那樣碰撞在一起，更談不上阻擋對手的劍。更糟的是，如果你在太陽下使用激光，或者把燈打開，激光就看不見了。而一把看不見的光劍有什么好的?就算光能傳送能量，它不成形也不成塊。地球上產(chǎn)生的光線只是射入空中，一直向前延伸。強(qiáng)大的激光束會把擋路的一切東西燒掉，誰也不愿意在室內(nèi)與操持激光劍的人決斗，要知道光劍的劍刃會無限延伸，切斷任何擋路的東西，比如說頭頂?shù)慕ㄖ?，甚至圍繞地球航行的太空船也會有危險。因此，如果加來博士的激光劍會造成如此巨大的災(zāi)難，科幻迷們也是不會滿意的。加來博士準(zhǔn)備通過一些前沿科技找出答案；他準(zhǔn)備與哈佛史密森天體物理中心的科學(xué)家們一起探討，探討的目標(biāo)是使光劍的劍刃實體化。起初，這些科學(xué)家們似乎試圖打破愛因斯坦的光定律，名叫羅恩沃爾思沃思的科學(xué)家是這個驚人項目的參與者之一，他和同事們準(zhǔn)備把激光投入充滿原子的空間，讓它停上幾分之一秒然后釋放。聽上去像是理所當(dāng)然，好像讓光停住是每天都發(fā)生的常事，事實上這種事前所未有，而且這樣做似乎打破了自然法則。光是自然界中速度最快的事物，由于它速度很快，又不能成形，因此不可能把它裝起來。光能被吸收、折射、反射，或穿過物體?？茖W(xué)家們可以減慢光的速度，但到現(xiàn)在為止，他們?nèi)匀徽J(rèn)為不可能讓光停住。然而加來博士想打造的激光劍，就需要把光停住。然而，羅恩和他的團(tuán)隊，就做出了在自然界不可能發(fā)生的事情：他們把激光光子，射入裝滿了氣體原子的容器，氣體原子把光抓住，使它停留一下，再把它傳到下一個原子。在一些實驗中，他們成功地讓光的停留時間超過了一秒。因此，從理論上說，打造一柄劍刃長度為91cm的光劍是可能的。我們并沒有違背物理法則，我們只是利用了物理法則，羅恩說：利用了量子力學(xué)和相對論讓光停住，是非凡的技術(shù)，想象一下：一柄由凝固的光做成的光劍該有多酷。然而我們還有難題，為了讓劍真正派上用場，我必須找到封閉光原子的方法，才能讓光停下。激光劍刃要能橫掃一切，溫度必須為攝氏6600度左右；但這樣的高溫，會使氣體轉(zhuǎn)變成過熱的等離子，也就是星體和閃電的構(gòu)成元素，因此激光是不可能停住的。這樣的結(jié)果，就是一條永無盡頭的激光束，外加劍柄上方失控的閃電，這種激光劍就算是神仙也無法操控。不管科幻迷們多么篤信激光劍，然而實際操作下來，我們可能最終發(fā)現(xiàn)它是不可行的。然而加來博士獲得了靈感：如果我能控制過熱的等離子來做光劍，會很理想。他來到位于紐約布魯克林的一家修理廠，這里當(dāng)然買不著光劍，但他們的等離子切割槍能切開鋼板。等離子是種很奇怪的物體，它非固、非液、非氣，可謂是物質(zhì)的第四態(tài)。能夠噴射等離子的切割槍，擁有相當(dāng)于小型閃電束的能量；它能把氣體加熱到幾千度，遠(yuǎn)超出鋼的熔點，靠的只是空氣和電力。出于這些原因，加來博士覺得或許可以用此來做理想的光劍。要打造光劍，要先從氣體開始。等離子切割槍的燃料，是普通空氣中的氧氣?？諝馔ㄟ^加熱電離化，這樣會改變原子的結(jié)構(gòu)，釋放出許多能量，形成一種充電的氣團(tuán)即等離子。顯然，等離子切割槍就是制作光劍的關(guān)鍵。91cm長的過熱等離子切割槍，難以控制又非常危險；不過，仍然有控制等離子的方法，讓它形成你要的形狀。原子失掉了電子，才能形成等離子。磁場會把等離子塑造出你想要的形狀，也是加來博士打造光劍的方法-用磁石的力量使等離子集中成形。然而要做成科幻迷們心中的光劍，加來博士還需要完成更多的工作。僅僅把等離子裝在一個磁場，那也只不過是一團(tuán)過熱的氣體，可以燒化東西，不過不大可能用于戰(zhàn)斗中；它無法與另一把劍短兵相接，也沒有真正的劍刃。為此，加來博士需要制作一個特殊的傳送系統(tǒng)，使等離子從光劍劍柄中射出來，均勻分布在91厘米長的劍刃上。不過，還有一個問題有待解決，過熱的等離子會燒化幾乎所有東西，只有特殊物質(zhì)可以幸免-一種高溫陶瓷材料，它很可能就是未來制作光劍的關(guān)鍵材料。加來博士把這種高溫陶瓷材料和一塊鎳金屬-硬幣里通常會加入的材料，一起放入火爐，加熱到最高溫度1600攝氏度，金屬鎳已經(jīng)完全熔化，但陶瓷耐住了高溫，完全沒有變形。這種陶瓷突出的耐高溫能力，在太空探索中擔(dān)任了重要的角色：在飛船重返地球時起到保護(hù)作用。陶瓷具有獨特的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，可以抵御2200度的高溫。不過，加來博士的光劍需要的是更高的耐熱度。切割槍要消耗約2700瓦的電量，相當(dāng)于兩個家庭所用電量，再擴(kuò)大1000乃至數(shù)千倍，就相當(dāng)于一個小城市的用量，而這才是一把光劍所需要的電量。這把光劍將能切穿幾乎一切已知物質(zhì)，將成為戰(zhàn)爭中所向無敵的武器。為了打造一把能發(fā)揮作用的光劍，加來博士和科學(xué)家小組將創(chuàng)造一種全新且能耐高溫的陶瓷，并用這種物質(zhì)打造一把伸縮的陶質(zhì)桿，讓它從光劍的劍鞘里彈出來，之后，等離子會在耐熱的桿里循環(huán)流動，并從桿表面的洞口溢出。然而，還有一個重要的事情有待解決-幾十兆瓦的能量，這相當(dāng)于把等離子加熱到太陽表面的溫度，那時才能削鐵如泥。為了達(dá)到這個目標(biāo)，加來博士和他的科學(xué)家朋友們需要便攜式電源組，而且更重要的是小巧的能放到13cm長劍柄里的電池組。幾十兆瓦的電量，足以點亮一座小城，電力足夠好才能造出好光劍。要在劍柄內(nèi)部安裝電源裝置，在外部進(jìn)行控制，這需要超級手機(jī)充電器，此外別無他法。讓我們到納米世界探索一番吧。碳納米管由一串單獨的碳原子組成，極小且非常結(jié)實，然而這就是打造光劍的關(guān)鍵所在。麻省理工學(xué)院研究納米管的布賴恩瓦德爾的主要研究是納米技術(shù)的軍事用途，雖然對此他沒有透露一絲一毫，但他仍然和加來博士討論了科幻武器和碳原子的對稱排列方式，這對我們的光劍電源的制作非常有用。一個碳納米管只有50個原子大小，比一根頭發(fā)要細(xì)上20000倍。不過，如何讓納米管為光劍提供電源呢?碳納米管有種碳本身通常做不到的用途：導(dǎo)電。碳納米管獨特的對稱結(jié)構(gòu)意味著它具有金屬的屬性，導(dǎo)電能力比銅強(qiáng)1000倍，簡直令人難以置信?？梢杂锰技{米管做簡單的電池，如果你有萬億塊電板，但體積只有分子大小，那么充電量就很可觀了。借助納米級別的物質(zhì)制造的電池非常微小，小到足以把萬億塊這樣的電池裝進(jìn)光劍的劍柄，而它只有一個原子大。你也許還不知道，納米管是可以種植的。想象一顆足球大小的種子，排滿了整個足球場，納米管飛快地從足球中生長出來，速度每小時超過100公里，一分鐘之后就能生長到接近地球軌道的高度。不過，科學(xué)家們現(xiàn)在還沒有破解納米管如何這樣生長的秘密，等這個秘密被破解之后，就能為我的光劍制作所需要的電池了。這些電池可以傳送巨大的能量，足以產(chǎn)生并容納等離子。加來博士說?，F(xiàn)在看來，制造光劍并不是我們這個時代科技能解決的問題。接起來足有幾公里長的碳納米管和分子電池可以安裝到光劍的劍柄里。下面，加來博士將向我們?nèi)讨v解打造一柄光劍的步驟。首先，一柄光劍應(yīng)該是一支等離子切割槍，加來博士的設(shè)計是以過熱等離子做劍刃，并在光劍的劍柄底部安裝鈦質(zhì)風(fēng)扇；打開開關(guān)后，每秒將有1600cm?的空氣被吸入劍柄，空氣在劍柄中加熱至過熱后，能形成6600攝氏度的等離子。之后，我們用電磁線圈控制住等離子，接下來的問題，就是用什么容器來容納高溫等離子-答案是高溫陶瓷。我們在劍柄中安裝一個伸縮陶桿，它可以抵受等離子產(chǎn)生的高熱。接下來，就用到了我們的納米電池。我們預(yù)先在光劍的劍柄里裝了萬億塊納米電池，它們會為等離子發(fā)電機(jī)提供能量：要實現(xiàn)這項技術(shù)，至少還需要50年。加來博士仿佛和我們開了一場玩笑，一個到50年之后才會解決的玩笑。以上就是打造一柄光劍的方法，它可以讓你在戰(zhàn)斗中打敗壞蛋，將一切切斷。電磁場會發(fā)出嗡嗡聲，比劍時會碰出火花，就像我們在科幻電影中看到的那樣。在更文明的未來時代，這真的是十分優(yōu)雅的武器?！拘≠N士】加來道雄博士是誰?作為弦場理論的聯(lián)合創(chuàng)建人，加來道雄博士在物理研究領(lǐng)域聲名赫赫，目前在紐約市立大學(xué)城市學(xué)院和研究生中心擔(dān)任亨利塞馬特理論物理學(xué)講席教授。加來博士曾以物理學(xué)成績?nèi)嗟谝坏淖顑?yōu)等生的榮譽畢業(yè)于哈佛大學(xué)，并在加州大學(xué)伯克利分校獲得理論物理學(xué)博士學(xué)位。加來道雄博士曾在哈佛大學(xué)和普林斯頓大學(xué)教過書，并在紐約市立大學(xué)執(zhí)教三十多年。他是普林斯頓高等研究院的客座教授，他撰寫的有關(guān)弦理論的博士教材更是全球各大知名物理實驗室的必備讀物。加來博士的人生目標(biāo)就是幫助實現(xiàn)愛因斯坦的夢想-萬有理論。但這位杰出的物理學(xué)家還因善于讓復(fù)雜深澀的物理學(xué)概念變得通俗易懂而聞名。在系列專輯科幻成真中，加來道雄博士將檢視那些看似不可能的科幻情節(jié)