北京時間 8 月 12 日消息，據國外媒體報道，光劍是《星球大戰(zhàn)》系列中最吸引眼球的設定之一，許多孩子小時候都玩過與之類似的小型光劍玩具。當然，當每個孩子揮舞著那根點亮的塑料棒時，他們心里想的是：真希望這個東西是真的啊！毫無疑問，如果迪士尼里面有真正的光劍出售，那他們會賺到更多的錢。那么問題來了：從科學的角度來看，光劍真的可能存在嗎？一些研究激光和等離子體科學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，但許多實際特性與現(xiàn)實相差很大，甚至可能性也微乎其微
丹尼斯?K?基林格（美國南佛羅里達大學物理學榮譽退休教授）
在《星球大戰(zhàn)》宇宙中，光劍通常與能夠燃燒、切割或破壞目標物體或敵人的激光或激光束聯(lián)系在一起。從技術上，激光器自 1960 年發(fā)明以來，已經發(fā)展出了許多不同的種類，并且有各種各樣的用途，從雜貨店結賬掃描商品條碼時用的 0.001 瓦特紅色激光，到測繪建筑物和道路時所用的人眼安全 1 瓦特紅外激光雷達，再到遙感衛(wèi)星上用來測量地球臭氧層空洞和二氧化碳水平的激光探測器。至于燃燒或切割，我們已經有了用于焊接車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，我們已經制造出了不同顏色或波長的激光束，這方面的問題倒是已經解決了。
光劍看起來不可行的原因之一，是它作為一個物理上固體的棒或劍的概念，可以“擊中”或“攻擊”對手。在電影中，光劍決斗時的機械碰撞是通過聲音效果來實現(xiàn)的，會產生一種“嗡嗡聲”，你還可以聽到它們互相碰撞的聲音。但如果你打開兩個手電筒，將兩束光相互交叉，你并不會感受到聲音或力。這是因為光子沒有質量，這也意味著激光或光束沒有質量。我想可以這么說，“你不能用光束來釘釘子”。因此，在這個意義上，兩束激光在機械意義上的相互“碰撞”是不現(xiàn)實的。不過，有一個科學上的例外：2018 年獲得諾貝爾物理學獎的阿瑟?阿什金發(fā)現(xiàn)，在適當條件下，一束激光可以用作光阱或光鑷，捕捉和移動非常小的物體，比如細菌。我們或許可以把事實夸大一點，將光劍稱為《星球大戰(zhàn)》中的牽引光束，但移動一個細菌和移動一艘星際飛船（如 SpaceX 公司的星艦第二級）在質量上差了 10 萬億億倍。
綜上所述，我們可以說，光劍不是一束激光，而是由氣態(tài)高溫等離子體或類等離子體管組成的。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)形式有熒光燈管內的氣體放電、大氣中的閃電和由等離子體組成的太陽風，后者是導致的北極光的原因。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點，形成激光誘導擊穿光譜（LIBS），它在空氣中可以產生一個等離子球，然后從這個等離子球發(fā)出熒光；之后，通過適當調整激光功率和光學校準，可以在空氣中產生細長的纖維或等離子體。這種技術已經在實驗室條件下使用飛秒激光進行了演示，可以產生發(fā)光的等離子體劍，盡管壽命有限。當然，上面提到的幾個問題仍然會限制這種等離子體劍的用途。
簡而言之，光劍的一些物理特性在理論上是可行的，但許多實際特性與現(xiàn)實相差很大，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（加拿大尼亞加拉學院光電子學教授）
這個問題我已經被問過多少次了，說出來可能會嚇到你。
首先，讓我們考慮使用激光來制造光劍。想象一道來自強大激光源的光束。激光有一個有趣的特性，那就是它是準直的，即以幾乎沒有發(fā)散的直線光束傳播。舉例來說，一個普通的手電筒，無論你如何改進它的光學系統(tǒng)，總會有一道光束在其移動過程中擴散開來，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”，用來切割或摧毀其他東西。從這個角度來看，激光是制造光劍的理想選擇。
問題是，光不會只停留在自由空間。為了制造一柄光劍，我們需要設計出一種方法，讓這些光子的輻射范圍達到 1.5 米左右，然后神奇地停在那里，而這遠遠超出了我們對物理學的理解。我并不是說我們永遠都找不到實現(xiàn)這一目標的方法（在一百年前，原子的分裂看起來就相當不現(xiàn)實），但就目前對物理學的理解而言，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在一定范圍內保持殺傷力，然后就突然消失。也許有一天我們可以“設計”這樣的粒子，但現(xiàn)在，這還只是科幻小說里的東西。我想補充一點，粒子加速器就其長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)造出一股被大磁場約束、由電離氣體分子組成的熱流。這需要不斷有氣體補充，但制造約束磁場才是最困難的部分。這個磁場將十分巨大，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而言，這在理論上是“可行的”。
回到激光，難點是讓光束在自由空間停止。這在今天是有可能做到的。我們目前對物理學的理解確實允許在晶體中停止，或者說“凍結”光子。如果這種技術可以應用到光劍的主體上，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 米長的光束，其輻射一直被約束在一定范圍內（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）。
當然，在實驗室的晶體中捕獲一些光子（已經實現(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原理支持了捕獲光束的想法，盡管“尚未實現(xiàn)”。
雖然這么說，但現(xiàn)在還是不要想著去哪個槍支商店找尋找光劍（我想到了《終結者》電影中使用等離子步槍的場景）。
洛林?馬修斯（貝勒大學物理學教授）
至少根據維基百科的說法，光劍是一種磁約束等離子體。這是有道理的，因為光劍很適合用來切割各種東西，而我們已經在使用等離子體炬來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，其實就是經過噴嘴噴流出來的電離氣體。等離子體炬內部的電極之間距離很短，將氣體電離后產生的電子和離子會與大氣中的中性氣體相互碰撞，并失去能量。
所以問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，并延長等離子體保持能量的距離。
實際上，我們可以把帶電粒子（等離子體）限制在磁性瓶中，但問題是這個“瓶”的兩端會泄漏，使等離子體很快逃逸。目前最先進的物理學實驗確實是利用磁場來限制等離子體，特別是在聚變反應堆中的應用。為了避免“線性瓶”兩端泄漏的問題，磁場線被彎曲了，形成了一個沒有末端的“甜甜圈”磁場形態(tài)。然而，等離子體仍然會向不同的方向泄漏，考慮到其他問題，維持等離子體能量所需的磁場會相當復雜（這就是為什么核聚變能仍然沒有廣泛應用的原因，但我們正在努力）。
回到光劍。磁場將包含帶電粒子，但對空氣中的中性氣體粒子沒有影響。也許這就是決定光劍長度的因素，而且等離子體必須在劍柄處非常密集，而在末端逐漸消散。請注意，磁場對中性粒子沒有影響，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。據維基百科，光劍的顏色是由一種“凱伯水晶”控制的。對于激光而言，這種說法是合理的，因為激光的顏色是由晶體材料中電子的躍遷能級控制的，但對于等離子體，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。一個強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 —— 但在類地大氣層中，主要氣體為氮氣，因此等離子體輝光會呈紫藍色。我們可以看看極光的顏色。太陽風等離子體被地磁場定向引導至地球的大氣層，在不同的高度（和能量）有許多不同的氣體被激發(fā)，產生一系列的顏色。
光劍的一個重要特征是它可以被另一把光劍撞開。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計。這種磁瓶不僅要捕獲等離子體，還要從周圍的大氣中收集額外的氣體，將其濃縮到足夠高的密度（一個問題：光劍在外太空能用嗎？）我認為有可能存在一種磁場的配置，使得兩把光劍的磁場相互排斥。
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