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轉(zhuǎn) 現(xiàn)實(shí)中的光劍 不可能的物理學(xué)文字和部分圖片由美國(guó)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(dòng),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(duì)于大多數(shù)星戰(zhàn)迷來(lái)說,削鐵如泥的光劍不但是杰迪武士的象征,更是他們夢(mèng)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(dú)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(lái)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(píng)論家滿意。在星戰(zhàn)系列電影中,光劍看上去只是一支30cm長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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(lái)道雄博士將通過實(shí)際操作,檢視那些長(zhǎng)久以來(lái)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(mèng)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(dòng),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(lái)博士打算把它分解成幾個(gè)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(zhǎng),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(duì)于劍刃的材料,科幻迷有清晰的認(rèn)識(shí)-光劍是一種激光武器,而激光確實(shí)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(wú)窮無(wú)盡的。打造激光劍的第一步是產(chǎn)生光束。加來(lái)博士:我需要一種夠堅(jiān)硬,又足夠小的物質(zhì),好裝入我的光劍劍柄里。我們會(huì)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(lái)博士相信,能量來(lái)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(shí)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(lái)制造光劍。還好,加來(lái)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(zhǎng)柱體連結(jié)在一塊。水晶是理想的集束物質(zhì),它堅(jiān)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(lái)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(cuò)時(shí),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(duì)手的劍。更糟的是,如果你在太陽(yáng)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(huì)把擋路的一切東西燒掉,誰(shuí)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(huì)無(wú)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(huì)有危險(xiǎn)。因此,如果加來(lái)博士的激光劍會(huì)造成如此巨大的災(zāi)難,科幻迷們也是不會(huì)滿意的。加來(lái)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(shí)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(gè)驚人項(xiàng)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(shí)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(lái)。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(lái)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(duì),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(gè)原子。在一些實(shí)驗(yàn)中,他們成功地讓光的停留時(shí)間超過了一秒。因此,從理論上說,打造一柄劍刃長(zhǎng)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(duì)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(chǎng),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(huì)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(wú)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(wú)法操控。不管科幻迷們多么篤信激光劍,然而實(shí)際操作下來(lái),我們可能最終發(fā)現(xiàn)它是不可行的。然而加來(lái)博士獲得了靈感:如果我能控制過熱的等離子來(lái)做光劍,會(huì)很理想。他來(lái)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(diǎn),靠的只是空氣和電力。出于這些原因,加來(lái)博士覺得或許可以用此來(lái)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(huì)改變?cè)拥慕Y(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(zhǎng)的過熱等離子切割槍,難以控制又非常危險(xiǎn);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(chǎng)會(huì)把等離子塑造出你想要的形狀,也是加來(lái)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(lái)博士還需要完成更多的工作。僅僅把等離子裝在一個(gè)磁場(chǎng),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(wú)法與另一把劍短兵相接,也沒有真正的劍刃。為此,加來(lái)博士需要制作一個(gè)特殊的傳送系統(tǒng),使等離子從光劍劍柄中射出來(lái),均勻分布在91厘米長(zhǎng)的劍刃上。不過,還有一個(gè)問題有待解決,過熱的等離子會(huì)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(lái)制作光劍的關(guān)鍵材料。加來(lái)博士把這種高溫陶瓷材料和一塊鎳金屬-硬幣里通常會(huì)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(shí)起到保護(hù)作用。陶瓷具有獨(dú)特的結(jié)晶結(jié)構(gòu),可以抵御2200度的高溫。不過,加來(lái)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(gè)家庭所用電量,再擴(kuò)大1000乃至數(shù)千倍,就相當(dāng)于一個(gè)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(zhēng)中所向無(wú)敵的武器。為了打造一把能發(fā)揮作用的光劍,加來(lái)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(lái),之后,等離子會(huì)在耐熱的桿里循環(huán)流動(dòng),并從桿表面的洞口溢出。然而,還有一個(gè)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(yáng)表面的溫度,那時(shí)才能削鐵如泥。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),加來(lái)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(zhǎng)劍柄里的電池組。幾十兆瓦的電量,足以點(diǎn)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(jí)手機(jī)充電器,此外別無(wú)他法。讓我們到納米世界探索一番吧。碳納米管由一串單獨(dú)的碳原子組成,極小且非常結(jié)實(shí),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(duì)此他沒有透露一絲一毫,但他仍然和加來(lái)博士討論了科幻武器和碳原子的對(duì)稱排列方式,這對(duì)我們的光劍電源的制作非常有用。一個(gè)碳納米管只有50個(gè)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(dú)特的對(duì)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(jiǎn)直令人難以置信。可以用碳納米管做簡(jiǎn)單的電池,如果你有萬(wàn)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(jí)別的物質(zhì)制造的電池非常微小,小到足以把萬(wàn)億塊這樣的電池裝進(jìn)光劍的劍柄,而它只有一個(gè)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(gè)足球場(chǎng),納米管飛快地從足球中生長(zhǎng)出來(lái),速度每小時(shí)超過100公里,一分鐘之后就能生長(zhǎng)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(zhǎng)的秘密,等這個(gè)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(lái)博士說?,F(xiàn)在看來(lái),制造光劍并不是我們這個(gè)時(shí)代科技能解決的問題。接起來(lái)足有幾公里長(zhǎng)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(lái)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(lái)博士的設(shè)計(jì)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(lái)的問題,就是用什么容器來(lái)容納高溫等離子-答案是高溫陶瓷。我們?cè)趧Ρ邪惭b一個(gè)伸縮陶桿,它可以抵受等離子產(chǎn)生的高熱。接下來(lái),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(wàn)億塊納米電池,它們會(huì)為等離子發(fā)電機(jī)提供能量:要實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù),至少還需要50年。加來(lái)博士仿佛和我們開了一場(chǎng)玩笑,一個(gè)到50年之后才會(huì)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(chǎng)會(huì)發(fā)出嗡嗡聲,比劍時(shí)會(huì)碰出火花,就像我們?cè)诳苹秒娪爸锌吹降哪菢?。在更文明的未?lái)時(shí)代,這真的是十分優(yōu)雅的武器?!拘≠N士】加來(lái)道雄博士是誰(shuí)?作為弦場(chǎng)理論的聯(lián)合創(chuàng)建人,加來(lái)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(lái)博士曾以物理學(xué)成績(jī)?nèi)嗟谝坏淖顑?yōu)等生的榮譽(yù)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(lái)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(shí)驗(yàn)室的必備讀物。加來(lái)博士的人生目標(biāo)就是幫助實(shí)現(xiàn)愛因斯坦的夢(mèng)想-萬(wàn)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(lái)道雄博士將檢視那些看似不可能的科幻情節(jié)
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