新浪科技|《星球大战》里的光剑在理论上可行吗？_

文章图片
图1/1
光剑的一些物理特性在理论上是可行的，但许多实际特性与现实相差很大，甚至可能性也微乎其微
新浪科技讯北京时间8月12日消息，据国外媒体报道，光剑是《星球大战》系列中最吸引眼球的设定之一，许多孩子小时候都玩过与之类似的小型光剑玩具。当然，当每个孩子挥舞着那根点亮的塑料棒时，他们心里想的是：真希望这个东西是真的啊！毫无疑问，如果迪士尼里面有真正的光剑出售，那他们会赚到更多的钱。那么问题来了：从科学的角度来看，光剑真的可能存在吗？一些研究激光和等离子体科学家给出了他们的答案。
丹尼斯·K·基林格（美国南佛罗里达大学物理学荣誉退休教授）
在《星球大战》宇宙中，光剑通常与能够燃烧、切割或破坏目标物体或敌人的激光或激光束联系在一起。从技术上，激光器自1960年发明以来，已经发展出了许多不同的种类，并且有各种各样的用途，从杂货店结账扫描商品条码时用的0.001瓦特红色激光，到测绘建筑物和道路时所用的人眼安全1瓦特红外激光雷达，再到遥感卫星上用来测量地球臭氧层空洞和二氧化碳水平的激光探测器。至于燃烧或切割，我们已经有了用于焊接车身和切割金属板的工业激光。然而，这些激光器使用的电源通常和一个大手提箱差不多，重量约为50磅（约合23公斤），不太适合作为武器挥舞。此外，我们已经制造出了不同颜色或波长的激光束，这方面的问题倒是已经解决了。
光剑看起来不可行的原因之一，是它作为一个物理上固体的棒或剑的概念，可以“击中”或“攻击”对手。在电影中，光剑决斗时的机械碰撞是通过声音效果来实现的，会产生一种“嗡嗡声” ，你还可以听到它们互相碰撞的声音。但如果你打开两个手电筒，将两束光相互交叉，你并不会感受到声音或力。这是因为光子没有质量，这也意味着激光或光束没有质量。我想可以这么说， “你不能用光束来钉钉子” 。因此，在这个意义上，两束激光在机械意义上的相互“碰撞”是不现实的。不过，有一个科学上的例外：2018年获得诺贝尔物理学奖的阿瑟·阿什金发现，在适当条件下，一束激光可以用作光阱或光镊，捕捉和移动非常小的物体，比如细菌。我们或许可以把事实夸大一点，将光剑称为《星球大战》中的牵引光束，但移动一个细菌和移动一艘星际飞船（如SpaceX公司的星舰第二级）在质量上差了10万亿亿倍。
综上所述，我们可以说，光剑不是一束激光，而是由气态高温等离子体或类等离子体管组成的。等离子体是由电子和离子组成的高能物质状态，其温度约为5000至10000摄氏度，甚至更高，表现形式有荧光灯管内的气体放电、大气中的闪电和由等离子体组成的太阳风，后者是导致的北极光的原因。但是，如何在大气中制造稳定的等离子体棒呢？一种方法是使用高功率激光将其聚焦到空气中的一个点，形成激光诱导击穿光谱（LIBS），它在空气中可以产生一个等离子球，然后从这个等离子球发出荧光；之后，通过适当调整激光功率和光学校准，可以在空气中产生细长的纤维或等离子体。这种技术已经在实验室条件下使用飞秒激光进行了演示，可以产生发光的等离子体剑，尽管寿命有限。当然，上面提到的几个问题仍然会限制这种等离子体剑的用途。
简而言之，光剑的一些物理特性在理论上是可行的，但许多实际特性与现实相差很大，甚至可能性也微乎其微。但尝试一下还是很有趣的。
马克·切勒（加拿大尼亚加拉学院光电子学教授）
这个问题我已经被问过多少次了，说出来可能会吓到你。
首先，让我们考虑使用激光来制造光剑。想象一道来自强大激光源的光束。激光有一个有趣的特性，那就是它是准直的，即以几乎没有发散的直线光束传播。举例来说，一个普通的手电筒，无论你如何改进它的光学系统，总会有一道光束在其移动过程中扩散开来，但激光的相干光束传播却出奇的小。激光可以保持它的“力量” ，用来切割或摧毁其他东西。从这个角度来看，激光是制造光剑的理想选择。
问题是，光不会只停留在自由空间。为了制造一柄光剑，我们需要设计出一种方法，让这些光子的辐射范围达到1.5米左右，然后神奇地停在那里，而这远远超出了我们对物理学的理解。我并不是说我们永远都找不到实现这一目标的方法（在一百年前，原子的分裂看起来就相当不现实），但就目前对物理学的理解而言，这是不可能的。
我们能否使用光子以外的粒子？比如介子，它可以移动一定的距离然后衰变（从而“停止”）。也许吧，但我们不知道有哪一种粒子会在一定范围内保持杀伤力，然后就突然消失。也许有一天我们可以“设计”这样的粒子，但现在，这还只是科幻小说里的东西。我想补充一点，粒子加速器就其长度而言堪称巨大的怪兽，激光则是小型化的更好选择。
在目前的技术下，也许最好的方法是利用等离子体，创造出一股被大磁场约束、由电离气体分子组成的热流。这需要不断有气体补充，但制造约束磁场才是最困难的部分。这个磁场将十分巨大，并且需要惊人的能量，因此几乎很难缩小到可以放在手掌中，但至少就目前的技术而言，这在理论上是“可行的” 。
回到激光，难点是让光束在自由空间停止。这在今天是有可能做到的。我们目前对物理学的理解确实允许在晶体中停止，或者说“冻结”光子。如果这种技术可以应用到光剑的主体上，并且是在自由空间中，而不是使用光子晶体，那就有可能创造出一道1米长的光束，其辐射一直被约束在一定范围内（如果功率足够高的话，任何接触这道光束的东西都将被摧毁）。
当然，在实验室的晶体中捕获一些光子（已经实现）和制造可以手持的光剑是完全不同的两件事，但至少基本的物理学原理支持了捕获光束的想法，尽管“尚未实现” 。
虽然这么说，但现在还是不要想着去哪个枪支商店找寻找光剑（我想到了《终结者》电影中使用等离子步枪的场景）。
洛林·马修斯（贝勒大学物理学教授）
至少根据维基百科的说法，光剑是一种磁约束等离子体。这是有道理的，因为光剑很适合用来切割各种东西，而我们已经在使用等离子体炬来切割像钢材这样的高密度材料。然而，等离子体炬的火焰只有几英寸长，其实就是经过喷嘴喷流出来的电离气体。等离子体炬内部的电极之间距离很短，将气体电离后产生的电子和离子会与大气中的中性气体相互碰撞，并失去能量。
所以问题在于维持等离子体，防止等离子体粒子与中性空气相互碰撞，并延长等离子体保持能量的距离。
实际上，我们可以把带电粒子（等离子体）限制在磁性瓶中，但问题是这个“瓶”的两端会泄漏，使等离子体很快逃逸。目前最先进的物理学实验确实是利用磁场来限制等离子体，特别是在聚变反应堆中的应用。为了避免“线性瓶”两端泄漏的问题，磁场线被弯曲了，形成了一个没有末端的“甜甜圈”磁场形态。然而，等离子体仍然会向不同的方向泄漏，考虑到其他问题，维持等离子体能量所需的磁场会相当复杂（这就是为什么核聚变能仍然没有广泛应用的原因，但我们正在努力）。
回到光剑。磁场将包含带电粒子，但对空气中的中性气体粒子没有影响。也许这就是决定光剑长度的因素，而且等离子体必须在剑柄处非常密集，而在末端逐渐消散。请注意，磁场对中性粒子没有影响，因此它不能把大气中的气体挡在“磁瓶”之外。
等离子体辉光的颜色是由电离气体中的原子能级别决定的。因此氖等离子体是红色的，氩等离子体是粉紫色的，氧等离子体则往往是绿色的。据维基百科，光剑的颜色是由一种“凯伯水晶”控制的。对于激光而言，这种说法是合理的，因为激光的颜色是由晶体材料中电子的跃迁能级控制的，但对于等离子体，情况则有所不同。为了获得不同的颜色，光剑需要使用不同的工作气体，或者激发电子跃迁的不同能级。一个强大的绝地武士可以使用原力改变能量，激发不同的跃迁能级——但在类地大气层中，主要气体为氮气，因此等离子体辉光会呈紫蓝色。我们可以看看极光的颜色。太阳风等离子体被地磁场定向引导至地球的大气层，在不同的高度（和能量）有许多不同的气体被激发，产生一系列的颜色。
【新浪科技|《星球大战》里的光剑在理论上可行吗？】光剑的一个重要特征是它可以被另一把光剑撞开。在这种情况下，等离子体的密度必须非常高——至少要像钢铁一样。这又回到了用磁瓶捕获等离子体的设计。这种磁瓶不仅要捕获等离子体，还要从周围的大气中收集额外的气体，将其浓缩到足够高的密度（一个问题：光剑在外太空能用吗？）我认为有可能存在一种磁场的配置，使得两把光剑的磁场相互排斥。（任天）