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第13章 激流涌进——物态与高端技术

现在,科技发展日新月异,高科技为人类社会生活创造了更多价值。物质的形态和高科技之间的关系日渐紧密,正是由于不同形态物质的存在才给高科技的发展提供了一定的基础。因此,科技的发展离不开形态各异的物质。目前,应用最多的是等离子物质,除了上面我们介绍的生物诱变与菌类的关系之外,大到核聚变,小到航天事业都与等离子有着密切的联系。

1.等离子态与核聚变

首先是等离子态与核聚变的关系。我们知道核聚变的第一步是要使燃料处于物质第四态,也就是说要进入等离子体态。这是由于等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在这样的气体中,在高温的作用下,电子有足够的能量来摆脱原子核的束缚,使原子核完全裸露出来,这样一来核子与核子就有可能互相碰撞。

随着等离子体温度的不断升高,在温度高达几千万度甚至几亿度的时候,原子核就能克服外界的斥力而聚合在一起。如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间,这种聚变反应就可以稳定而又持续地进行。一般情况下,把等离子体的温度、密度和热能约束时间的乘积称为“聚变三重积”,当它达到1022时,聚变反应输出的功率就等于为驱动聚变反应而输入的功率,只有超过这一基本值,聚变反应才能自动进行。核聚变作为21世纪理想的换代新能源,虽然对中国和亚洲对能源的巨大需求有着相当好的缓解作用,不过要实现聚变三重积却没有那么容易,因此要使核聚变以一项新能源的面貌出现,科学家还需要进一步努力。

2008年3月31日,中科院等离子体所科研人员,成功获得了超过1分钟的等离子体放电技术。这项技术是从超导托卡马克的核聚变物理实验装置所获得的。被命名为HT-7超导托卡马克,是世界上第二个能产生分钟量级的高温等离子体的实验装置。在这个装置中,等离子体放电时间最长达63.95秒。它是继法国之后,世界上仅有的两个可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的国际合作平台之一。

它利用环形超导磁场,对等离子体进行加热、约束,从而创造可以控制的产生聚变的物理条件。这个装置是由中科院等离子体研究所在1994年建成的,1995年投入运行。是一种面向国际前沿,以先进运行模式、高参数稳态运行等,对未来核聚变反应堆有重大意义的课题所涉及的科学问题为研究主线而进行的。

2.等离子隐形技术的应用

你知道军事上应用的飞行器以及雷达有何神秘之处吗?它们为什么能够探测到所需要的信息呢?其实,这些都是运用了隐形设计技术,但是这种隐形设计不是一般的技术,而是利用了等离子的高科技技术。对于传统的飞行器隐形设计而言,主要着眼于外形设计和吸波涂料。而采用等离子技术的隐形飞行器设计,主要利用等离子体的独特电磁学特性来进行研发的。

如果在等离子体中,入射电磁波的频率大于某个临界数值,它就可以进入等离子体进行传播。只是在传播过程中,它所具有的能量将会随着等离子体的吸收而不断衰减;如果入射电磁波频率小于这一数值,电磁波通常无法进入等离子层,而是在其表面发生全反射。与此同时,等离子体还会以电磁波反射体的形式对电磁波产生一定的干扰作用,从而使电磁波的往返途径发生弯曲。

如果等离子体层能够用来代替传统的吸波涂料,从而制成带有等离子层的飞行器,那么当敌方雷达频率高于截止频率时,雷达波进出等离子体层后能量将会严重衰减,而且还会使飞行器自身雷达反射信号大大减弱;而当敌方雷达频率低于截止频率时,等离子体层将使雷达波传播途径发生弯曲,在这种情况下,雷达将接收不到反射波。即使接收到了,雷达得到的也将是飞行器的虚像位置,而并不是实际位置。飞行器等离子隐形技术的基本原理就是这样的。

等离子不仅用在军事上,而且就连最普通的航天事业也有很大的发展!在航天技术中,有很多问题都与等离子体有着密切关系。在宇宙空间中,地球大气层以外的空间基本上是处于等离子态的。也就是说,航天飞行器的飞行环境是等离子态的环境。在稠密的大气层中,飞行器飞行的时候,能够与空气发生“摩擦”从而形成等离子体,例如像推进器等一类的高技术就更离不开等离子体技术了。因此,发展等离子体技术是航天技术发展的基础。

3.物质的第五形态

如果你想要知道物质的第五形态,首先要知道什么是“玻色——爱因斯坦凝聚体”。实际上,它也是物质的一种形态,由于这一理论是爱因斯坦推广而来的,因此也被称为“玻色——爱因斯坦凝聚体”。该理论预言,如果某些原子气体能够冷却到足够低的温度,那么这些原子就会突然以足够低的温度进行凝聚,原来不规则的气态物质瞬间就会转化为高度有序的固态物质。这种固态物质就是玻色——爱因斯坦凝聚体,是一种宏观的量子状态物质。可以这样说,该凝聚体中的所有粒子都处于能量的最低态,并且其物理性质也相同。另外,物质之间的各个部分与其它部分也有一定的关联性,这种关联是一种相干性(关联的程度)的体现,它能将玻色凝聚体分成两团,并使它们相互重叠,因此我们能够明显地看到凝聚体中有一干涉条纹。

玻色——爱因斯坦凝聚态,是一种非常奇特的物质形态,组成它的原子集体步调很一致,因此这些原子内部没有任何阻力。然而奇怪的是,这些原子之间虽然没有阻力,但是它们并不会乱动,因此可以用于设计精确度比较高的原子钟以及太空航行的精确定位之中。另外,它的凝聚效应也可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波,该电子对波带有一定的电,在传播中能够形成一束不带电压的宏观电流。更让人惊奇的是,玻爱凝聚态的原子物质还能表现出光子一样的特性,哈佛大学的两个研究小组利用这种特性使光的速度降为零,从而将光储存起来。

此外,玻色凝聚态的研究也可以延伸到其他领域。例如,磁场可以用来调控原子之间的相互作用,可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象,甚至还可以用玻色凝聚体来模拟黑洞。总之它的出现能够使物质的形态更加神秘,让人产生好奇心!

不过,这种物质形态的实现并不简单。因为,其实现条件中充满了矛盾,一方面希望达到极低的温度,另一方面还要求原子体系处于气态。一般情况下,物质在低温的时候,都会呈现出固态。而如果要使物质呈现出气态,这几乎是不可能的。那么,玻色——爱因斯坦凝聚到底是怎样实现这一物质形态的呢?一般在凝聚态情况下,所有的原子都具有同一个状态,并且原子可以无阻力地自由移动,也就是所谓的“超流体”。这个超流体能量非常低,好像一座突然坍塌的大楼一样,如果再有足够低的温度,那么物质就会呈现出另一种形态。可是,如何才能达到最低温度呢?经过科学家无数次的实验,最后决定利用激光冷却技术,这样就可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。这样一来,也就具备了这两个条件,就能观测到玻色——爱因斯坦凝聚态,即是物质的第五形态!

4.物质的第六形态

物质除了有玻色——爱因斯坦凝态以外,还有一种凝聚态叫作“费米子凝聚态”,即物质的第六种形态。2004年1月29日,物质的第六种形态由美国标准技术研究院以及美国科罗拉多大学组成的联合研究小组宣布。该新物质是由在接近绝对零度的温度下过渡冷却的气态原子团构成的,研究者希望这一新物质能有助于未来室温超导体的研制。专家认为,这一成果为人类认识物质世界打开又一扇大门,具有重大的理论和实践意义。

那么,究竟什么是费米子凝聚态呢?实际上,它是与第五种物质形态直接相关的一种物质形态,也是物质在量子状态下的形态。不过,处于“费米子凝聚态”的物质还不能被认为是超导体。

量子力学认为,自然界中的粒子可以分为两类:一类是玻色子;一类是费米子。这两类粒子具有一定区别,它们具有不同特性,最明显的是在极低温时候。玻色子一般情况下是全部聚集在同量子态上,从而形成玻色——爱因斯坦凝聚态,也就是物质的第五种形态,它由玻色子构成,像一个超级大原子。而费米子则与之相反,它们是比较独立的一类,各自占据着不同的量子态,由费米子构成,遇到特别低的温度时,就会逐渐占据最低能态,但它们是在不同能态上堆叠起来的,一节一节的,因此从整体上来看,就像是楼梯上站满了人。

那么,费米子是怎么被发现的呢?它是被美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组发现的,他们打破传统理论上的不可能,发现了一个能够克服费米子的凝聚障碍的方法,将费米子先转换成玻色子,然后再根据玻色子凝聚的原理进行费米子凝聚。

于是,德博拉·金领导的联合研究小组进行了精心的研究,他们将具有费米子特征的钾原子气体冷却到绝对零度以上的十亿分之一,这时候的钾原子便停止了运动。我们知道绝对零度就相当于零下273.15℃,可想而知它的十亿分之一的温度有多么低。如果仅仅是用激光冷却的方法,远远达不到费米子凝聚所要求的温度。正由于此,需要把原子放到“磁杯”中进行蒸发冷却。于是他们就将气体约束在真空小室中,并采用磁场和激光同时使钾原子进行配对,最后终于成功地创造出“费米子凝聚态”。

我们知道,费米子本身不是导体,这是由于它所使用的原子比电子重得多,并且各个原子对之间的吸引力比超导体中电子对的吸引力要强得多。但是,费米子凝聚态研究建立在玻色——爱因斯坦凝聚态的研究基础上,这对于超导技术的发展有很广阔的前景,也就是说有利于下一代超导体的诞生。超冷气体中形成的费米子,为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具。只是现在的技术还不能使所有费米子都可以发生费米冷凝,即使能够获得冷凝体,也是比较脆弱的。不过,相信随着科学技术的不断发展,费米子在超导体上的贡献终有一天会实现的。如果真的有这么一天,新产生的超导体技术可在电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

知识小百科

你知道为什么超导体比其他普通的导体有更巨大的能力吗?

其实这与超导体本身的性质有密切关系,超导体的特殊性质是电阻为零,并且还具有完全的抗磁性。而普通的导体根据材料的不同,所具有的电阻大小也不一样。这是超导体和普通导体最本质的区别。根据超导体的特性,目前它能够广泛应用于能源、交通、医疗卫生、电子技术、受控热核发电和军事等诸多领域。并且,超导体的发展将会对人类社会产生巨大的影响,许多著名科学家都认为超导技术将是下个世纪关键技术之一,它将形成一门重要的、新的高技术产业。还有人预测,在2010年左右,将会出现一个相当规模的超导工业。

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