伦敦奥运会叶诗文用什么来建造无形而又刀枪不入的力场之“墙”
发布日期:2022-04-12 浏览次数:0

用一道无形的墙,把敌人的炮弹、激光都统统挡住,这样一种几乎像梦境一样不切实际的想法,在现实中竟然也是可能的。

你一定去过海洋馆吧。当你步入水下世界,看到一条鲨鱼龇牙咧嘴地向你游来,我想你是不会惊慌的。因为你知道有一道厚厚的玻璃墙在保护着你。而从鲨鱼的角度来说,它倒是挺纳闷的:明明“猎物”近在咫尺,可是一伸嘴,却被一个无形的东西挡了回来。在它一生中,想必从未遇到过这样奇怪的事情。

你还可能看过某些武侠小说或电影。一个武功高强的人,一发功,在自己周围建立起一个无形的防护盾。敌人的刀枪劈刺过来,却在空中莫名其妙地折了、断了。谁都羡慕有这样的武功!

或者,你还可能看过《星球大战》之类的科幻电影。在太空中,战争的一方为自己人建立了一个无形的保护屏障。敌人的炮弹射过来,一触到这个屏障,瞬间就汽化了;激光束射过来,一遇到屏障,就反射了回去。

这些无形而又能起到保护作用的东西,科幻小说里有一个名称叫“力场”(注意,不要跟物理学上传递作用力的力场混淆)或者“能量墙”。

有了力场,在很多场合,它就可以取代砖和混凝土等日常建筑材料。有了它,我们不仅能保护自己免于敌人的任何伤害,而且还可以在险恶的环境中(譬如炎热的荒漠、高压的海底或者不友好的外星球),建立人类自己的“世外桃源”:任外面“风吹雨打”,“兵荒马乱”,我自“风花雪月”,“歌舞升平”。

好得如此不可思议的技术,似乎是天方夜谭,但在过去的几十年里,天才的工程师和科学家们已经制造出了这些未来技术的雏形。

用什么来建造力场?

用什么来建造力场呢?上面提到的力场是一种无形的东西。在理想的情况下,当然最好是一堵非物质的墙。自然界中什么是能对物质起作用的非物质的东西呢?我们首先想到的是物理学上传递作用的力场。像引力场、电场这样的力场,虽然看不见、摸不着,却是一种非物质的客观存在,能对有形的物质起作用。

我们的能量墙需要在几厘米或几米的范围内起作用。但是,很遗憾,宇宙中的四种基本作用力——引力、电磁力、强核力和弱核力——似乎都无法构建这样的能量墙。引力场太弱,而且只在恒星和行星这样的尺度上起作用;电磁场很容易被敌人设置的电磁场抵消;核力很难被操纵,且只在原子的尺度上起作用。

因此,让我们转而求其次,看看能不能由物质来构建力场(这就是这里所说的“力场”跟物理学上说的“力场”不是一回事的理由)。物质要透明,这样才能显得无形。固态的玻璃、液态的水和气态的空气,当然都是透明的,但都不符合我们的技术要求。我们不得不转向物质的第五种状态——等离子体。

虽然我们对等离子体不太熟悉,但它却是整个宇宙中物质最常见的状态。宇宙中超过99%的物质是等离子体。在等离子体中,由于高温,电子已从其原子中剥离,带正电荷的原子核和带负电荷的自由电子混在一起,像一锅“汤”一样。存在能自由移动的电荷,这意味着它有很强的导电性,能够受到电场和磁场的强烈影响——因此容易受电场和磁场的操控,而且等离子体的密度远远大于气体。这些特性赋予它很多奇怪的本领(下面就会讲到),使它成为建造力场的完美材料。

至于如何获得等离子体,倒是很简单。我们可以通过用高压电把气体加热到高温来获得。譬如,如果加热像氩气这样的气体,所产生的等离子体将发出迷人的蓝色辉光。用这种等离子体制作的等离子体墙,就可以实现我们的目标。

我们目前有三种等离子体墙,有的处于早期研发阶段,有的已经有了初步应用。下面我们就给大家介绍这三种等离子墙。

冲击波防护墙

第一种类型的等离子墙,是用于保护军用车辆免受冲击波影响的。

我们知道,在战争中能量大的爆炸(如导弹),不仅四射的弹片可以直接伤人,所产生的冲击波也会对人对物造成巨大的破坏。

冲击波是爆炸瞬间形成的高温火球猛烈向外膨胀、压缩周围空气形成的高压气浪。它不仅可以通过超压挤压人的内脏和听觉器官,直接致人死命,还可以冲击毁坏建筑物、车辆和武器装备。

2020年,美国波音公司研制成功一种保护士兵和军用车辆免受冲击波影响的等离子体墙。该装置由四个部分组成:传感器、电弧发生器、激光器和微波发生器。

该装置计划安装在军用车辆上。它的传感器能探测附近发生的爆炸,确定爆炸的当量。一旦探测到,电脑能快速计算出冲击波到达目标所需的时间,以及从哪个方向来。接下去,它就利用电弧、激光和微波,迅速加热车辆和爆炸之间的空气墙。它将这些空气加热,产生一个比周围空气密度大的等离子体防护罩。由于等离子体的特性,这道等离子体墙可以反射或吸收冲击波的能量,使“墙”后的车辆和士兵免受破坏性影响。

然而,美中不足的是,这种力场只对冲击波起作用。它与科幻片中的力场不同,无法阻拦飞来的固体物,如石头或弹片。

不过,这个缺陷或许是可以改进的。有专家提出,未来的力场将由三层组成:第一层是高温、高功率的等离子体墙,它可以阻挡冲击波,并将进入墙内的固体物部分汽化。第二层将由数以千计的激光束组成,排列在一个紧密的晶格中,任何没有被等离子体墙汽化的固体物,再次会受到激光束的照射而汽化。第三层是碳纳米管网。碳纳米管是一种像石墨烯一样的材料,只有一个原子的厚度,因此肉眼看起来是透明的,但它比钢还坚韧,富有弹性。前两步中没有被彻底汽化的固体物,飞到这一层,将直接被碳纳米管网住,并弹回去。

这样三层的保护网将能阻止大多数射来的固体物,为一个城市提供强大的防御。除此之外,它还有防激光、防辐射的功能,这一点我们留待下一节再谈。

为飞船制造“迷你磁层”

另一种类型的等离子墙可用于保护宇航员免受太空的辐射。

高剂量的太空辐射是前往火星的载人任务面临的最大挑战之一。即使是最短的往返旅行也至少需要18个月,在这段时间里,宇航员将暴露在太空中呼啸而过的亚原子粒子中。这些粒子能够打断人体细胞的DNA,增加患癌症和其他疾病的风险。

人们认识到这种危险性已经有近半个世纪了,但由于成本和技术难度,似乎无法解决。一些专家曾想过用铅或大量的水来保护宇航员,但让飞船搭载这么多东西,发射成本高得超乎想象。

另一个想法是模仿地球磁场。我们知道,地球磁场虽然微弱,却能偏转太阳风和宇宙射线,保护地表的生命。因此,我们或许也可以借鉴这一做法,制造一个磁场,把飞船整个包裹起来。当然,我们可以把磁场做得远远强于地磁场,这样它的规模就可以大大地缩小。但是不管怎么小,根据计算,这个“迷你磁层”的尺寸也需要方圆数百千米。为维持这个磁场,不仅设备庞大,能量也消耗巨大,而且强磁场还可能伤及宇航员。

我们需要的是一个超轻的辐射防护罩。于是,有人想到了等离子体墙。

关于等离子体能阻挡辐射这一点,我们其实也是从地球自身获知的。在我们头顶约64千米高处以远,是地球大气层的最后一层——电离层,在它外面就是太空。电离层的气体被太阳加热,成为一个等离子体。等离子体可以反射无线电波,阻止无线电波穿透。因此,在没有人造卫星之前,无线电信号的转播,完全依赖电离层。

等离子体墙能否阻挡辐射,关键要看等离子体墙的密度。地球电离层中的等离子体太稀薄了(因为高空的大气太稀薄了),所以它只能阻挡长波段的无线电波,波长短的辐射就无法阻挡。但只要我们能为宇宙飞船制造出密度更高的等离子体,它就能够阻挡波长更短的辐射,如伽马射线和宇宙射线。

在科幻片《星际迷航》中,宇航员打开一个轻巧的防护罩来保护太空舰“企业号”免受太阳风(主要成分是质子)的攻击。与此类似,最近科学家想出了一种低功率、轻量级的等离子体力场,可以让宇航员免遭危险的太空辐射。为了做到这一点,你只需要几克氢气、一些金属网和一个电源。

首先,高压电将氢气电离成等离子体,轻轻地从飞船上射出去。一个铁丝网在一定距离内将整个飞船包裹起来,通过这个铁丝网还可以施加电压,诱发一个磁场,将等离子体束缚在飞船周围。

这个“迷你磁层”防辐射能力与几厘米的铝板相当,将能阻挡太阳风中的绝大多数粒子。不过,单这么一个等离子泡,对高能的宇宙射线似乎不起作用。为了应对这种威胁,还需要将飞船用特殊材料包裹起来,就像穿防弹背心一样。

这样算下来,整个装置将重约几百千克,功率约1千瓦,仅是今天的通信卫星能耗功率的1/3到1/2。

据说,美国宇航局目前正在为未来的火星项目研究这个设想。未来,我们或许真的可以乘坐由等离子体力场包裹的飞船去火星!

加速器上的无形“气闸”

如果说前面介绍的两种等离子体力场还仅仅是设想,那么下面要介绍的第三种力场就是已经投入使用的实在东西了。这种力场叫等离子体窗,已经在一些物理实验中使用。

等离子体窗是一个由强磁场固定的等离子体平面。就像波音公司的等离子体墙一样,这个等离子体窗可以两边保持不同的压力。因此,一边可以是真空,另一边是正常的标准大气压,而等离子体的强度足以让两者截然分开,同时又允许固体物和某些波长的光直接通过。

如果你使用氩气来制造等离子体窗,你可以得到一个蓝色的力场,就像你在《星球大战》和《星际迷航》中看到的力场一样。遗憾的是,现在的等离子体窗还没法做得那么大。我们在粒子加速器(如欧洲核子中心的大型强子对撞机)中使用的等离子体窗通常都非常小。

粒子加速器之所以用到等离子体窗,是因为它们需要一个完美的真空环境来工作,但有时科学家却需要从外面射入激光,来操控里面的粒子束,或者把粒子束射出去,譬如从加速器上把高能电子束引出去,瞄准目标做精度极高的焊接。玻璃窗是无法胜任这些工作的,所以我们制造微小的等离子体窗来隔开加速器内部的真空和外部的大气。等离子体窗在这里起到气闸的作用。

现实中力场的缺陷

从上面的讨论中可以看到,如果我们有足够的电力和足够强大的磁铁,就能制造出科幻片中所设想的那种防弹、防辐射、防激光的力场。科学幻想确实不完全是空想!

但是另一方面,我们也不得不承认,科学上能实现的力场恐怕也无法达到科幻片中的要求。

在科幻片中,敌人的炮弹、激光打过来,被我们的力场挡住,“百炼钢化为柔指绕”;而我们自己的炮弹和激光,却能穿过力场打击敌人。可是,现实中的力场技术没有这么神通。等离子体墙能汽化敌人射来的炮弹,当然也能汽化我们射过去的炮弹;能反射敌人的激光,当然也会反射我们自己的激光。所以,现实中的力场只起到防御作用,无法反守为攻。这是第一点。

其次,科幻片中的力场是对“墙”两边的人都透明的。“墙”内的人看着“墙”外敌人的炮弹纷纷汽化,激光反射回去伤着自己,那才够戏剧性。但现实中的力场虽然无形,对交战的双方很可能都是不透明的镜子,无法看到“墙”另一面的彼方,因而戏剧性大打折扣。这一点容我下面做详细解释。

我们的力场一个重要用途是防激光。这是因为在太空战中,由于战舰处于失重的状态,对它施加一个微小的力,都足以让它晕头转向,所以传统的武器(如子弹、炮弹和导弹),由于发射时产生的后坐力,会把战舰推离轨道,已经失去了意义,尤其要仰赖激光武器。

敌人的激光需要高能量才能伤害到我们。光束的能量越高,光的频率也越大(光子的能量与频率成正比)。为了保护我们免受敌人高频激光的伤害,我们的力场需要由高密度的等离子体组成,因为等离子体密度越高,它能反射的光的频率也越高。

但是,密度高的等离子体不仅能反射高频率的光,也仍然能够反射低频率的光。如果高功率的激光,其频率大于可见光的频率,甚至在紫外线范围内,那么等离子体墙不仅反射敌人高频率的激光,也反射可见光。如此一来,对敌对我,等离子体墙就相当于一面巨大的镜子了。在它面前看来看去,你只能看到自己的影子,无法看到敌人。这对于太空战来说并不理想。

当然,对于这一缺点,也有改进的希望。譬如,我们在太阳镜中使用了一种能过滤高能辐射的材料。这种材料可以过滤太阳光中的紫外线,同时又不影响可见光穿过。也许未来的力场也可以借鉴这样的技术。

总之,力场的设想最初提出来时,几乎被人认为是天方夜谭,而这样“不切实际”的技术竟然也有实现的可能,这不能不让人惊叹。

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