北京時(shí)間 8 月 12 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，光劍是《星球大戰(zhàn)》系列中最吸引眼球的設(shè)定之一，許多孩子小時(shí)候都玩過(guò)與之類(lèi)似的小型光劍玩具。當(dāng)然，當(dāng)每個(gè)孩子揮舞著那根點(diǎn)亮的塑料棒時(shí)，他們心里想的是：真希望這個(gè)東西是真的?。『翢o(wú)疑問(wèn)，如果迪士尼里面有真正的光劍出售，那他們會(huì)賺到更多的錢(qián)。那么問(wèn)題來(lái)了：從科學(xué)的角度來(lái)看，光劍真的可能存在嗎？一些研究激光和等離子體科學(xué)家給出了他們的答案。
▲ 光劍的一些物理特性在理論上是可行的，但許多實(shí)際特性與現(xiàn)實(shí)相差很大，甚至可能性也微乎其微
丹尼斯?K?基林格（美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)物理學(xué)榮譽(yù)退休教授）
在《星球大戰(zhàn)》宇宙中，光劍通常與能夠燃燒、切割或破壞目標(biāo)物體或敵人的激光或激光束聯(lián)系在一起。從技術(shù)上，激光器自 1960 年發(fā)明以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展出了許多不同的種類(lèi)，并且有各種各樣的用途，從雜貨店結(jié)賬掃描商品條碼時(shí)用的 0.001 瓦特紅色激光，到測(cè)繪建筑物和道路時(shí)所用的人眼安全 1 瓦特紅外激光雷達(dá)，再到遙感衛(wèi)星上用來(lái)測(cè)量地球臭氧層空洞和二氧化碳水平的激光探測(cè)器。至于燃燒或切割，我們已經(jīng)有了用于焊接車(chē)身和切割金屬板的工業(yè)激光。然而，這些激光器使用的電源通常和一個(gè)大手提箱差不多，重量約為 50 磅（約合 23 公斤），不太適合作為武器揮舞。此外，我們已經(jīng)制造出了不同顏色或波長(zhǎng)的激光束，這方面的問(wèn)題倒是已經(jīng)解決了。
光劍看起來(lái)不可行的原因之一，是它作為一個(gè)物理上固體的棒或劍的概念，可以“擊中”或“攻擊”對(duì)手。在電影中，光劍決斗時(shí)的機(jī)械碰撞是通過(guò)聲音效果來(lái)實(shí)現(xiàn)的，會(huì)產(chǎn)生一種“嗡嗡聲”，你還可以聽(tīng)到它們互相碰撞的聲音。但如果你打開(kāi)兩個(gè)手電筒，將兩束光相互交叉，你并不會(huì)感受到聲音或力。這是因?yàn)楣庾記](méi)有質(zhì)量，這也意味著激光或光束沒(méi)有質(zhì)量。我想可以這么說(shuō)，“你不能用光束來(lái)釘釘子”。因此，在這個(gè)意義上，兩束激光在機(jī)械意義上的相互“碰撞”是不現(xiàn)實(shí)的。不過(guò)，有一個(gè)科學(xué)上的例外：2018 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的阿瑟?阿什金發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)條件下，一束激光可以用作光阱或光鑷，捕捉和移動(dòng)非常小的物體，比如細(xì)菌。我們或許可以把事實(shí)夸大一點(diǎn)，將光劍稱為《星球大戰(zhàn)》中的牽引光束，但移動(dòng)一個(gè)細(xì)菌和移動(dòng)一艘星際飛船（如 SpaceX 公司的星艦第二級(jí)）在質(zhì)量上差了 10 萬(wàn)億億倍。
綜上所述，我們可以說(shuō)，光劍不是一束激光，而是由氣態(tài)高溫等離子體或類(lèi)等離子體管組成的。等離子體是由電子和離子組成的高能物質(zhì)狀態(tài)，其溫度約為 5000 至 10000 攝氏度，甚至更高，表現(xiàn)形式有熒光燈管內(nèi)的氣體放電、大氣中的閃電和由等離子體組成的太陽(yáng)風(fēng)，后者是導(dǎo)致的北極光的原因。但是，如何在大氣中制造穩(wěn)定的等離子體棒呢？一種方法是使用高功率激光將其聚焦到空氣中的一個(gè)點(diǎn)，形成激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS），它在空氣中可以產(chǎn)生一個(gè)等離子球，然后從這個(gè)等離子球發(fā)出熒光；之后，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整激光功率和光學(xué)校準(zhǔn)，可以在空氣中產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)的纖維或等離子體。這種技術(shù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室條件下使用飛秒激光進(jìn)行了演示，可以產(chǎn)生發(fā)光的等離子體劍，盡管壽命有限。當(dāng)然，上面提到的幾個(gè)問(wèn)題仍然會(huì)限制這種等離子體劍的用途。
簡(jiǎn)而言之，光劍的一些物理特性在理論上是可行的，但許多實(shí)際特性與現(xiàn)實(shí)相差很大，甚至可能性也微乎其微。但嘗試一下還是很有趣的。
馬克?切勒（加拿大尼亞加拉學(xué)院光電子學(xué)教授）
這個(gè)問(wèn)題我已經(jīng)被問(wèn)過(guò)多少次了，說(shuō)出來(lái)可能會(huì)嚇到你。
首先，讓我們考慮使用激光來(lái)制造光劍。想象一道來(lái)自強(qiáng)大激光源的光束。激光有一個(gè)有趣的特性，那就是它是準(zhǔn)直的，即以幾乎沒(méi)有發(fā)散的直線光束傳播。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)普通的手電筒，無(wú)論你如何改進(jìn)它的光學(xué)系統(tǒng)，總會(huì)有一道光束在其移動(dòng)過(guò)程中擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，但激光的相干光束傳播卻出奇的小。激光可以保持它的“力量”，用來(lái)切割或摧毀其他東西。從這個(gè)角度來(lái)看，激光是制造光劍的理想選擇。
問(wèn)題是，光不會(huì)只停留在自由空間。為了制造一柄光劍，我們需要設(shè)計(jì)出一種方法，讓這些光子的輻射范圍達(dá)到 1.5 米左右，然后神奇地停在那里，而這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們對(duì)物理學(xué)的理解。我并不是說(shuō)我們永遠(yuǎn)都找不到實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法（在一百年前，原子的分裂看起來(lái)就相當(dāng)不現(xiàn)實(shí)），但就目前對(duì)物理學(xué)的理解而言，這是不可能的。
我們能否使用光子以外的粒子？比如介子，它可以移動(dòng)一定的距離然后衰變（從而“停止”）。也許吧，但我們不知道有哪一種粒子會(huì)在一定范圍內(nèi)保持殺傷力，然后就突然消失。也許有一天我們可以“設(shè)計(jì)”這樣的粒子，但現(xiàn)在，這還只是科幻小說(shuō)里的東西。我想補(bǔ)充一點(diǎn)，粒子加速器就其長(zhǎng)度而言堪稱巨大的怪獸，激光則是小型化的更好選擇。
在目前的技術(shù)下，也許最好的方法是利用等離子體，創(chuàng)造出一股被大磁場(chǎng)約束、由電離氣體分子組成的熱流。這需要不斷有氣體補(bǔ)充，但制造約束磁場(chǎng)才是最困難的部分。這個(gè)磁場(chǎng)將十分巨大，并且需要驚人的能量，因此幾乎很難縮小到可以放在手掌中，但至少就目前的技術(shù)而言，這在理論上是“可行的”。
回到激光，難點(diǎn)是讓光束在自由空間停止。這在今天是有可能做到的。我們目前對(duì)物理學(xué)的理解確實(shí)允許在晶體中停止，或者說(shuō)“凍結(jié)”光子。如果這種技術(shù)可以應(yīng)用到光劍的主體上，并且是在自由空間中，而不是使用光子晶體，那就有可能創(chuàng)造出一道 1 米長(zhǎng)的光束，其輻射一直被約束在一定范圍內(nèi)（如果功率足夠高的話，任何接觸這道光束的東西都將被摧毀）。
當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)室的晶體中捕獲一些光子（已經(jīng)實(shí)現(xiàn)）和制造可以手持的光劍是完全不同的兩件事，但至少基本的物理學(xué)原理支持了捕獲光束的想法，盡管“尚未實(shí)現(xiàn)”。
雖然這么說(shuō)，但現(xiàn)在還是不要想著去哪個(gè)槍支商店找尋找光劍（我想到了《終結(jié)者》電影中使用等離子步槍的場(chǎng)景）。
洛林?馬修斯（貝勒大學(xué)物理學(xué)教授）
至少根據(jù)維基百科的說(shuō)法，光劍是一種磁約束等離子體。這是有道理的，因?yàn)楣鈩苓m合用來(lái)切割各種東西，而我們已經(jīng)在使用等離子體炬來(lái)切割像鋼材這樣的高密度材料。然而，等離子體炬的火焰只有幾英寸長(zhǎng)，其實(shí)就是經(jīng)過(guò)噴嘴噴流出來(lái)的電離氣體。等離子體炬內(nèi)部的電極之間距離很短，將氣體電離后產(chǎn)生的電子和離子會(huì)與大氣中的中性氣體相互碰撞，并失去能量。
所以問(wèn)題在于維持等離子體，防止等離子體粒子與中性空氣相互碰撞，并延長(zhǎng)等離子體保持能量的距離。
實(shí)際上，我們可以把帶電粒子（等離子體）限制在磁性瓶中，但問(wèn)題是這個(gè)“瓶”的兩端會(huì)泄漏，使等離子體很快逃逸。目前最先進(jìn)的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)確實(shí)是利用磁場(chǎng)來(lái)限制等離子體，特別是在聚變反應(yīng)堆中的應(yīng)用。為了避免“線性瓶”兩端泄漏的問(wèn)題，磁場(chǎng)線被彎曲了，形成了一個(gè)沒(méi)有末端的“甜甜圈”磁場(chǎng)形態(tài)。然而，等離子體仍然會(huì)向不同的方向泄漏，考慮到其他問(wèn)題，維持等離子體能量所需的磁場(chǎng)會(huì)相當(dāng)復(fù)雜（這就是為什么核聚變能仍然沒(méi)有廣泛應(yīng)用的原因，但我們正在努力）。
回到光劍。磁場(chǎng)將包含帶電粒子，但對(duì)空氣中的中性氣體粒子沒(méi)有影響。也許這就是決定光劍長(zhǎng)度的因素，而且等離子體必須在劍柄處非常密集，而在末端逐漸消散。請(qǐng)注意，磁場(chǎng)對(duì)中性粒子沒(méi)有影響，因此它不能把大氣中的氣體擋在“磁瓶”之外。
等離子體輝光的顏色是由電離氣體中的原子能級(jí)別決定的。因此氖等離子體是紅色的，氬等離子體是粉紫色的，氧等離子體則往往是綠色的。據(jù)維基百科，光劍的顏色是由一種“凱伯水晶”控制的。對(duì)于激光而言，這種說(shuō)法是合理的，因?yàn)榧す獾念伾怯删w材料中電子的躍遷能級(jí)控制的，但對(duì)于等離子體，情況則有所不同。為了獲得不同的顏色，光劍需要使用不同的工作氣體，或者激發(fā)電子躍遷的不同能級(jí)。一個(gè)強(qiáng)大的絕地武士可以使用原力改變能量，激發(fā)不同的躍遷能級(jí) —— 但在類(lèi)地大氣層中，主要?dú)怏w為氮?dú)猓虼说入x子體輝光會(huì)呈紫藍(lán)色。我們可以看看極光的顏色。太陽(yáng)風(fēng)等離子體被地磁場(chǎng)定向引導(dǎo)至地球的大氣層，在不同的高度（和能量）有許多不同的氣體被激發(fā)，產(chǎn)生一系列的顏色。
光劍的一個(gè)重要特征是它可以被另一把光劍撞開(kāi)。在這種情況下，等離子體的密度必須非常高 —— 至少要像鋼鐵一樣。這又回到了用磁瓶捕獲等離子體的設(shè)計(jì)。這種磁瓶不僅要捕獲等離子體，還要從周?chē)拇髿庵惺占~外的氣體，將其濃縮到足夠高的密度（一個(gè)問(wèn)題：光劍在外太空能用嗎？）我認(rèn)為有可能存在一種磁場(chǎng)的配置，使得兩把光劍的磁場(chǎng)相互排斥。
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