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转 现实中的光剑 不可能的物理学文字和部分图片由美国Discovery探索频道提供这是一把可以征服宇宙的武器。它威风凛凛，所向披靡；它发出具有神奇能量的光束，由不可见的神秘之力驱动，仿佛操纵着闪电的原能量。可以切开宇宙之内的一切东西；所有的科幻电影迷都为之倾倒。它到底是科幻故事，还是普通人真正能拥有的超酷武备?对于大多数星战迷来说，削铁如泥的光剑不但是杰迪武士的象征，更是他们梦寐以求的宝物。光剑可以说是最受欢迎的电影武器。它耀眼的光芒和独特的嗡嗡声令全世界的星战迷为之倾倒。在物理研究领域声名赫赫的加来道雄博士将替自己，并替这些星战迷完成任务，找到制作一柄光剑的秘密：希望我的光剑能令最挑剔的评论家满意。在星战系列电影中，光剑看上去只是一支30cm长的金属把手，把手内部装有能量匣和不同形状的晶体。能量匣产生的能量流经水晶的激发聚焦后，经反射形成一束约一公尺长能量光束，它可以切穿宇宙中一切物质，而也只有另外一把光剑能挡住它。光剑的光束可以劈开空气使其离子化，并发出嗡嗡的声音，这就是为什么光剑被星战迷揶揄为日光灯管的原因。经过多年的练习之后，杰迪武士才能熟练使用光剑。加来道雄博士(图中)是位杰出的物理学家，他因善于让复杂深涩的物理学概念变得通俗易懂而闻名。加来道雄博士将通过实际操作，检视那些长久以来令全世界的科幻迷们兴奋又困惑的科幻情节，而这次的任务是，现代科技可以制造光剑了吗?光剑是所有星球大战系列科幻片影迷们梦寐以求的宝物。光剑威风凛凛，所向披靡；它发出具有神奇能量的光束，由不可见的神秘之力驱动，仿佛操纵着闪电的原能量。可以切开宇宙之内的一切东西。光剑在电影中征服了宇宙，之后也征服了所有影迷的心。打造一把光剑可是艰巨的任务。加来博士打算把它分解成几个基本的部分：第一，剑柄要足够大，能装下光剑的能源；第二，剑刃要91厘米长，亮晶晶的剑刃能切开任何物质，它也是这武器中最关键的部分，打造剑刃就是打造光剑的关键所在。对于剑刃的材料，科幻迷有清晰的认识-光剑是一种激光武器，而激光确实可以切开2.5cm厚的钢板，听上去打造光剑并非不可完成的任务。激光是匀速前行的光粒子，灌入的能量越多，光粒子就越强大。所以理论上说，激光剑能产生的能量是无穷无尽的。打造激光剑的第一步是产生光束。加来博士：我需要一种够坚硬，又足够小的物质，好装入我的光剑剑柄里。我们会猜想，光剑里面含有一些尚待科学界发现的神秘的能源，加来博士相信，能量来自某种水晶或是剑里面的什么物质：我相信，是水晶产生了剑刃的实体。在乔治卢卡斯导演的星球大战系列电影中，杰迪武士必须前往伊冷星寻找神秘的水晶来制造光剑。还好，加来博士不必去外太空收集水晶。在他工作的纽约城市大学，他们可以自己炮制。水晶的化学成分为二氧化硅，晶体硬度为摩氏7，常呈六棱柱状，柱体为一头尖或两头尖，多条长柱体连结在一块。水晶是理想的集束物质，它坚硬、抗热、体积小、易于装入光剑的剑柄。仅6mm大的水晶晶体就能产生出十亿瓦的激光束。加来博士打算把水晶晶体装到剑柄中，再输入足够的能量。然而，用这种方法制成的光剑似乎不是科幻迷们心中的经典款式：它的光束不能凝固成剑刃，而当两条激光束交错时，也只是穿过去，剑刃并不像星球大战里那样碰撞在一起，更谈不上阻挡对手的剑。更糟的是，如果你在太阳下使用激光，或者把灯打开，激光就看不见了。而一把看不见的光剑有什么好的?就算光能传送能量，它不成形也不成块。地球上产生的光线只是射入空中，一直向前延伸。强大的激光束会把挡路的一切东西烧掉，谁也不愿意在室内与操持激光剑的人决斗，要知道光剑的剑刃会无限延伸，切断任何挡路的东西，比如说头顶的建筑，甚至围绕地球航行的太空船也会有危险。因此，如果加来博士的激光剑会造成如此巨大的灾难，科幻迷们也是不会满意的。加来博士准备通过一些前沿科技找出答案；他准备与哈佛史密森天体物理中心的科学家们一起探讨，探讨的目标是使光剑的剑刃实体化。起初，这些科学家们似乎试图打破爱因斯坦的光定律，名叫罗恩沃尔思沃思的科学家是这个惊人项目的参与者之一，他和同事们准备把激光投入充满原子的空间，让它停上几分之一秒然后释放。听上去像是理所当然，好像让光停住是每天都发生的常事，事实上这种事前所未有，而且这样做似乎打破了自然法则。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，因此不可能把它装起来。光能被吸收、折射、反射，或穿过物体。科学家们可以减慢光的速度，但到现在为止，他们仍然认为不可能让光停住。然而加来博士想打造的激光剑，就需要把光停住。然而，罗恩和他的团队，就做出了在自然界不可能发生的事情：他们把激光光子，射入装满了气体原子的容器，气体原子把光抓住，使它停留一下，再把它传到下一个原子。在一些实验中，他们成功地让光的停留时间超过了一秒。因此，从理论上说，打造一柄剑刃长度为91cm的光剑是可能的。我们并没有违背物理法则，我们只是利用了物理法则，罗恩说：利用了量子力学和相对论让光停住，是非凡的技术，想象一下：一柄由凝固的光做成的光剑该有多酷。然而我们还有难题，为了让剑真正派上用场，我必须找到封闭光原子的方法，才能让光停下。激光剑刃要能横扫一切，温度必须为摄氏6600度左右；但这样的高温，会使气体转变成过热的等离子，也就是星体和闪电的构成元素，因此激光是不可能停住的。这样的结果，就是一条永无尽头的激光束，外加剑柄上方失控的闪电，这种激光剑就算是神仙也无法操控。不管科幻迷们多么笃信激光剑，然而实际操作下来，我们可能最终发现它是不可行的。然而加来博士获得了灵感：如果我能控制过热的等离子来做光剑，会很理想。他来到位于纽约布鲁克林的一家修理厂，这里当然买不着光剑，但他们的等离子切割枪能切开钢板。等离子是种很奇怪的物体，它非固、非液、非气，可谓是物质的第四态。能够喷射等离子的切割枪，拥有相当于小型闪电束的能量；它能把气体加热到几千度，远超出钢的熔点，靠的只是空气和电力。出于这些原因，加来博士觉得或许可以用此来做理想的光剑。要打造光剑，要先从气体开始。等离子切割枪的燃料，是普通空气中的氧气。空气通过加热电离化，这样会改变原子的结构，释放出许多能量，形成一种充电的气团即等离子。显然，等离子切割枪就是制作光剑的关键。91cm长的过热等离子切割枪，难以控制又非常危险；不过，仍然有控制等离子的方法，让它形成你要的形状。原子失掉了电子，才能形成等离子。磁场会把等离子塑造出你想要的形状，也是加来博士打造光剑的方法-用磁石的力量使等离子集中成形。然而要做成科幻迷们心中的光剑，加来博士还需要完成更多的工作。仅仅把等离子装在一个磁场，那也只不过是一团过热的气体，可以烧化东西，不过不大可能用于战斗中；它无法与另一把剑短兵相接，也没有真正的剑刃。为此，加来博士需要制作一个特殊的传送系统，使等离子从光剑剑柄中射出来，均匀分布在91厘米长的剑刃上。不过，还有一个问题有待解决，过热的等离子会烧化几乎所有东西，只有特殊物质可以幸免-一种高温陶瓷材料，它很可能就是未来制作光剑的关键材料。加来博士把这种高温陶瓷材料和一块镍金属-硬币里通常会加入的材料，一起放入火炉，加热到最高温度1600摄氏度，金属镍已经完全熔化，但陶瓷耐住了高温，完全没有变形。这种陶瓷突出的耐高温能力，在太空探索中担任了重要的角色：在飞船重返地球时起到保护作用。陶瓷具有独特的结晶结构，可以抵御2200度的高温。不过，加来博士的光剑需要的是更高的耐热度。切割枪要消耗约2700瓦的电量，相当于两个家庭所用电量，再扩大1000乃至数千倍，就相当于一个小城市的用量，而这才是一把光剑所需要的电量。这把光剑将能切穿几乎一切已知物质，将成为战争中所向无敌的武器。为了打造一把能发挥作用的光剑，加来博士和科学家小组将创造一种全新且能耐高温的陶瓷，并用这种物质打造一把伸缩的陶质杆，让它从光剑的剑鞘里弹出来，之后，等离子会在耐热的杆里循环流动，并从杆表面的洞口溢出。然而，还有一个重要的事情有待解决-几十兆瓦的能量，这相当于把等离子加热到太阳表面的温度，那时才能削铁如泥。为了达到这个目标，加来博士和他的科学家朋友们需要便携式电源组，而且更重要的是小巧的能放到13cm长剑柄里的电池组。几十兆瓦的电量，足以点亮一座小城，电力足够好才能造出好光剑。要在剑柄内部安装电源装置，在外部进行控制，这需要超级手机充电器，此外别无他法。让我们到纳米世界探索一番吧。碳纳米管由一串单独的碳原子组成，极小且非常结实，然而这就是打造光剑的关键所在。麻省理工学院研究纳米管的布赖恩瓦德尔的主要研究是纳米技术的军事用途，虽然对此他没有透露一丝一毫，但他仍然和加来博士讨论了科幻武器和碳原子的对称排列方式，这对我们的光剑电源的制作非常有用。一个碳纳米管只有50个原子大小，比一根头发要细上20000倍。不过，如何让纳米管为光剑提供电源呢?碳纳米管有种碳本身通常做不到的用途：导电。碳纳米管独特的对称结构意味着它具有金属的属性，导电能力比铜强1000倍，简直令人难以置信。可以用碳纳米管做简单的电池，如果你有万亿块电板，但体积只有分子大小，那么充电量就很可观了。借助纳米级别的物质制造的电池非常微小，小到足以把万亿块这样的电池装进光剑的剑柄，而它只有一个原子大。你也许还不知道，纳米管是可以种植的。想象一颗足球大小的种子，排满了整个足球场，纳米管飞快地从足球中生长出来，速度每小时超过100公里，一分钟之后就能生长到接近地球轨道的高度。不过，科学家们现在还没有破解纳米管如何这样生长的秘密，等这个秘密被破解之后，就能为我的光剑制作所需要的电池了。这些电池可以传送巨大的能量，足以产生并容纳等离子。加来博士说。现在看来，制造光剑并不是我们这个时代科技能解决的问题。接起来足有几公里长的碳纳米管和分子电池可以安装到光剑的剑柄里。下面，加来博士将向我们全程讲解打造一柄光剑的步骤。首先，一柄光剑应该是一支等离子切割枪，加来博士的设计是以过热等离子做剑刃，并在光剑的剑柄底部安装钛质风扇；打开开关后，每秒将有1600cm?的空气被吸入剑柄，空气在剑柄中加热至过热后，能形成6600摄氏度的等离子。之后，我们用电磁线圈控制住等离子，接下来的问题，就是用什么容器来容纳高温等离子-答案是高温陶瓷。我们在剑柄中安装一个伸缩陶杆，它可以抵受等离子产生的高热。接下来，就用到了我们的纳米电池。我们预先在光剑的剑柄里装了万亿块纳米电池，它们会为等离子发电机提供能量：要实现这项技术，至少还需要50年。加来博士仿佛和我们开了一场玩笑，一个到50年之后才会解决的玩笑。以上就是打造一柄光剑的方法，它可以让你在战斗中打败坏蛋，将一切切断。电磁场会发出嗡嗡声，比剑时会碰出火花，就像我们在科幻电影中看到的那样。在更文明的未来时代，这真的是十分优雅的武器。【小贴士】加来道雄博士是谁?作为弦场理论的联合创建人，加来道雄博士在物理研究领域声名赫赫，目前在纽约市立大学城市学院和研究生中心担任亨利塞马特理论物理学讲席教授。加来博士曾以物理学成绩全班第一的最优等生的荣誉毕业于哈佛大学，并在加州大学伯克利分校获得理论物理学博士学位。加来道雄博士曾在哈佛大学和普林斯顿大学教过书，并在纽约市立大学执教三十多年。他是普林斯顿高等研究院的客座教授，他撰写的有关弦理论的博士教材更是全球各大知名物理实验室的必备读物。加来博士的人生目标就是帮助实现爱因斯坦的梦想-万有理论。但这位杰出的物理学家还因善于让复杂深涩的物理学概念变得通俗易懂而闻名。在系列专辑科幻成真中，加来道雄博士将检视那些看似不可能的科幻情节