登陆注册
6025400000013

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。

同类推荐
  • 团圆奇遇(人猿泰山系列)

    团圆奇遇(人猿泰山系列)

    人猿泰山系列是一部让中小学生开阔眼界、丰富想象力的书,是一部教给孩子动物是朋友、大自然是家园的温情冒险小说,是一部中小学图书馆和孩子的书架上不得不放的书,是父母与孩子共同阅读的睡前故事。小说情节奇谲精彩,主人公强悍而无畏,为孩子们打开了一扇充满着浪漫英雄主义的丛林世界大门。译者的话:上世纪四十年代,我们在读初中时,《人猿泰山》作为世界名著,曾经风靡一时。每逢课间十分钟,同学们几乎满教室争说泰山。当时,这部奇趣曼妙的小说,已经在我们心里扎根了。1988年,我俩六十岁退休后,曾到各地旅游,顺便到各省大图书馆、大学图书馆查询此书,不但译本遍寻不得,连原文本也没有了。
  • 恐龙谜团

    恐龙谜团

    为了激励广大读者认识和探索天下谜团,普及科学知识,大华文苑根据中外的最新研究成果,特别编辑了本套《破译天下谜团》丛书。本套图书知识全面、内容精练、文章短小、语言简洁、深入浅出、通俗易懂、图文并茂、形象生动,非常适合读者阅读和收藏。这本《恐龙谜团》就是该套丛书之一。恐龙经历了三叠纪、侏罗纪和白垩纪三个时期,它们是中生代的主宰者。恐龙种类繁多,它们充分展现出了多姿多彩的远古生命世界。翻开《恐龙谜团》一书,让我们一起来认识并揭开恐龙的神秘面纱。
  • 青少年必懂的哲理

    青少年必懂的哲理

    本书分为“人生·事业之哲理”、“信仰·真理之哲理”、“理想·成功之哲理”、“道德·修养之哲理”等章节收录了许多格言警句。
  • 幸福在哪里

    幸福在哪里

    每个人都梦想能找到幸福国。幸福国真的存在吗?玛努格决定去找找看。就这样,他背着小包,踏上了漫长的旅途,一路上经过了许多地方。每到一个地方,他都会收获许多惊喜和微小的幸福。他在寻找幸福的路上发现了幸福的秘密。幸福的意义,就在于去追寻。
  • 智力闯关西游记(第5集)

    智力闯关西游记(第5集)

    《智力闯关西游记(第5集)》犹如一个“现代版西游记作战沙盘”,请你参与故事的设计和问题的解决。英雄和魔鬼与你纠缠在一起,你们之间会发生一件件好玩而有趣的事情,比一比,谁更聪明?谁更智慧?古老的《西游记》故事加入现代生活元素,重新设计的故事情节,让几百年前的故事犹如发生在你的身边。
热门推荐
  • 相思谋:妃常难娶

    相思谋:妃常难娶

    某日某王府张灯结彩,婚礼进行时,突然不知从哪冒出来一个小孩,对着新郎道:“爹爹,今天您的大婚之喜,娘亲让我来还一样东西。”说完提着手中的玉佩在新郎面前晃悠。此话一出,一府宾客哗然,然当大家看清这小孩与新郎如一个模子刻出来的面容时,顿时石化。此时某屋顶,一个绝色女子不耐烦的声音响起:“儿子,事情办完了我们走,别在那磨矶,耽误时间。”新郎一看屋顶上的女子,当下怒火攻心,扔下新娘就往女子所在的方向扑去,吼道:“女人,你给本王站住。”一场爱与被爱的追逐正式开始、、、、、、、
  • 前妻别来无恙

    前妻别来无恙

    那一年,隋菲菲明白,爱是一种信仰,只能仰望,不能念想。那一年,隋菲菲懂得,原来牵手的约定真的并不是爱情。那一年,隋菲菲告诉自己,以后拒绝和三种人在一起:君子、小人和莫浩然。最后隋菲菲顿悟:不与君子斗流氓,不与小人斗高尚,不与莫浩然斗禽兽。隋菲菲咬牙切齿:早晚剥了你的衣冠,让你原形毕露!
  • 大道主宰

    大道主宰

    一代邪神,穿越重生到一名废材身上。一个沉睡千年的青年,一枚奇妙玄奥的戒指,一曲追求自由的主宰之歌,且看一代强者,如何笑湮苍穹?
  • 我的老婆是地仙

    我的老婆是地仙

    练习气功已经六年的他,居然不知道修炼龟息术就是修真,更不明白什么金丹大道,然而诡异的事情发生了,下海养殖的时候他发现了一颗……当他把修真灵药做成酒店饮品,把帮人筑基当成保健产业开发,于是财富滚滚来……
  • 搁浅似水流年

    搁浅似水流年

    以为成长很简单,以为生活很简单,以为爱情很简单,以为人心很简单......其实,最简单的是我的头脑,我的想法,我的心。当我真正了解生活并非所然时,一切都为时已晚。
  • 我家的白狐大人

    我家的白狐大人

    在一个和地球超相似地方,也有着人类和現代文化...“啊!!”一聲慘叫從一枚宅女滴屋子出來了,為什么要叫呢?那是因為有个黑不拉幾+毛绒绒的東西...掉入宅女的...怀里那東西还會命令宅女,誰知到那東西是!!!!!是...一隻萌萌哒的白狐~那宅女就是本小説滴女主~宛靈“嘩..好帥..”“你口水滴下來了”“吓!?”“没有啊?你..你騙我!”
  • EXO:如果还能重来

    EXO:如果还能重来

    如果还能重来,我一定不要再遇见你。。。如果还能重来,我一定不要在爱上你。。。如果还能重来,我一定要忘记你。。。如果还能重来,我不要再相信你。。。伤心的人啊,埋没在岁月的尘土里,冷暖不自知。
  • 霸道总裁:黑道大小姐

    霸道总裁:黑道大小姐

    严黎,a市一大总裁,弟弟背叛,还是还是豪门恩怨,这些他管不是了,现在他首先要做的一件事就是将某个腹黑大小姐拐回家才行。不说了,再不追上去就找不到了。
  • 高富帅偏爱冰山女

    高富帅偏爱冰山女

    他们是一群生活在富裕家庭的王子和公主,拥有着平常人家所梦想的一切。纸醉金迷的生活看起来是那么耀眼,可隐藏在背后的伤痛又有多少人能够看到?青春的脚步稍纵即逝,他们能否抓住一闪而过的机遇,看清自己的内心,从而真正得到属于他们的幸福专利吗?
  • 大唐风语

    大唐风语

    了解过中国历史上曾经出现过的贵族吗?他们做过什么,又因何消失?跳入历史长河,与崔绍唐一并穿越时空,来到开元年间。这里五姓七望,同气连枝、翻手为云覆手为雨;这里皇权升扬、帝威四溢、明是栈道暗中陈仓!崔绍唐该努力抓住贵族的尾巴,还是轻松攀附皇权的高枝,亦或者搏命逆行拳打脚踢开天辟地?他是选与李太白对酒当歌,陪杜工部修草棚,还是看公孙大娘舞剑,观杨玉环跳霓裳羽衣?不管怎样,这都是一个值得记载传说的故事,一个关于穿越者的故事。