极 限 物 语

中原

极 限 物 语
吴波/文
    更高、更快、更强！体育运动员们不断挑战着人类身体的极限。极限也是科学家所追求的境界，他们在地球的常态环境里，制造出超高压、超重力、超摩擦力、超强磁场、超低温度，甚至巨大无比的望远镜。极限环境下的物质，将讲述怎样的传奇故事呢？
超高压：让钻石服软
　　地表的物质受到的大气压强，在地面位置是1个标准大气压（1.01×1013帕斯卡），在珠穆朗玛峰顶上是0.3个标准大气压。如果向地球内部进发，我们会发现，海底的最深部（约1.1万米深）的水的压强达到1000个标准大气压，如果我们测量一下由熔化的铁组成的高温高压的地核，压强达到了360万标准大气压。这就是地球自然状态下的压强极限了。
　　目前，这个压强极限已经被人类所突破。日本物质研究所的科学家开发出了新的冲击压缩合成装置，可以制造出超过地球中心的压强，达到400万标准大气压的超高压。他们是如何做到这点的呢？
　　原来，在他们的装置中，飞行的物体经过了二次加速，就如同火箭的二次加速一样。飞行物体经过加速后，以每秒6千米的速度冲撞仪器中的样品，两个物体以如此高的速度相撞，在接触处的原子数量会瞬间增加，就好像物质内部瞬间被原子塞满了一样。于是在10毫秒的瞬间，产生出了400万标准大气压的超高压。
　　把物质放入超高压极限环境中，可以转化成无比坚硬的新材料。我们知道在自然物质中，钻石是硬度最大的物质，但在人造环境中，只要压力达到10万标准大气压，就可以制造出人工钻石来。因此，如果有了更高的压强环境，人们有可能制造出比钻石更坚硬的物质。理论上说，在400万倍超高压环境下，钻石这样坚硬的物体都将被压缩到原来体积的70%左右，超高压将给人们奉献出比钻石还硬的材料。
　　超高压环境不仅可以制造比钻石还硬的材料，科学家还发现，各种非金属物质放进超高压环境中，就会变成金属！这是因为，非金属物质中的原子距离由于高压而缩小，结果使围绕各个原子核旋转的电子能够在物质中自由活动，这正是金属的性质。物质在转化成金属状态的过程中，也许能产生出具有像半导体或超导体那样的新材料。科学家正在探索在如此超高压下出现的新材料，比如，他们已经成功地在超高压状态下合成了新型陶瓷材料。这种材料叫做氮化硅立方晶体，比普通的氮化硅密度高1.3倍左右，它的硬度已经接近钻石的硬度，但却是一种与钻石成分完全不同的新材料。
　　此外，利用超高压还可以研究陨石的组成之谜。目前的理论认为，很多陨石不含水的原因是从太空落下期间，由于陨石与大气的摩擦，水分蒸发了。但是，也许陨石原来就不含有水分。真相到底是什么呢？科学家通过冲撞实验发现，即使陨石中原来含有水分，也会由于碰撞而失去水分。
　　科学家下一步准备制造出600万标准大气压的环境。如果真的能够实现，制造比钻石更坚硬的物质将很容易了，也许到了那个时候，昂贵的钻石价格将大幅下跌。
超重力：把白矮星移到地球上
　　地球和附近的各种物质都会因受到引力而被拽向地心。例如，在地球的引力作用下，离地5米高的物体自由下落，经过大约1秒钟的时间落到地面。
　　地球的重力场和人造的超重力场比起来，实在是太微弱了。日本原子能研究所的科学家开发出了“超重力场发生装置”，这是目前世界上最大级别的重力场，假定一个物体在地球表面上受到某个数值的重力，则在该装置里，将受到比前者大100万倍的重力！在这个环境下，离地5米高的物体将以大约1/1000秒的时间落地。在宇宙中，这样的情景只发生在密度奇高、引力超大的白矮星附近。但即使在白矮星表面，重力也不过是地球地面重力的10万倍而已。科学家在地球上制造出的超重力场超过了白矮星的威力。
　　这么强的重力场是如何得到的？
　　这台超重力场装置其实是一台高速旋转的超离心机，利用超强的离心力制造出超重力场。将物体放入装置的旋转体中，以每秒500转做高速旋转，样品就进入了超重力状态。这个装置能够将超重力状态稳定保持100个小时。放入离心机的物体不仅遭受超重力的“折磨”，还可以被加热到500℃以上，这样的装置让太上老君的炼丹炉都相形见绌。
　　威力巨大的超重力场能把物体变成什么样子？
　　由于重力是在一个方向上起作用，与气体产生的压力不一样，而且重力作用于构成物质的每个原子，所以，把固体的合金放进在100万倍的超重力场中，会出现固体内的重原子比轻原子更快落下的独特现象。就好像在地球重力场下，如果杯子里放入泥水，不久泥就会沉到杯底。如果重力增加到地球重力的1万倍，则眼睛看不见的1微米以下的物质也将开始落下。如果重力再增加到地球重力场的100万倍，不要说泥水，就是固体颗粒中的含有的原子都会发生改变，组合形式变得很异常，一些日常并不存在的全新结构的物质将会出现。
　　比如，在超重力场中，原来固定结构的合金中的原子分布会重新排布。在铟-铅合金中，铟的原子量是115，铅是207。把铟-铅合金放在超重力场中，更重的铅原子会向底部沉降，导致合金样品的上部铅的含量低，而铟的含量高。
　　超重力场将为人们寻找新的合金材料提供了工具。科学家认为，在超重力和高温的双重极端条件下，原子经过慢慢沉降后，再将物体的温度降到常温，一些古怪的物质结构就会被固定下来。
高摩擦力：想贴就贴
　　自然界中，壁虎是一种令人惊叹的动物，它可以飞檐走壁，甚至整个身体倒转，贴在天花板上。当它想运动时，它又能从容、快速地在直立而又光滑的墙壁上游走。壁虎收放自如的奥秘就在它脚趾上非凡的毛发。壁虎的脚趾上覆盖着数以百万计的细小毛发，称为“刚毛”，每一个刚毛上还有分支，总计一个脚趾上有数以亿计的纳米尺寸的微分支。如此多的分支形成了毛发网络，当这个毛发网络与墙壁表面之间靠得非常近时，就会产生分子间作用力。当百万条壁虎毛发接触墙壁时，它们和墙壁之间产生强大的吸附力，这个力量足以使壁虎轻松地挂在墙壁上。
　　美国加州大学的工程师们从壁虎的脚趾得到灵感，制造出了高摩擦力的微纤维材料。用这样的材料覆盖一枚硬币的一面，然后把硬币轻放在玻璃板的侧面，即使玻璃板与桌面的夹角达到80度，硬币也不掉下。让硬币在玻璃板上固定住的东西并不是胶带或胶水，而是强大的摩擦力。
　　工程师们模仿壁虎的脚趾，用聚丙烯纤维合成特殊的材料，每平方厘米的纤维材料中，包含了4200万条纤维，每一条纤维大约20微米长，直径0.6微米，粗细只有一根头发的1/100。制作如此精细的纤维，就是为了产生和壁虎脚趾类似的力量。接触表面的纤维越多，摩擦力就越大。工程师们估计，每条纤维大约产生了200纳牛顿的力量。对于聚丙烯微纤维来说，只要39纳牛顿就可以让自身固定在表面上。
　　有了高摩擦力的材料，我们是否就能如壁虎一样飞檐走壁了呢？很遗憾，工程师们发现，这种材料和壁虎的毛发还有所不同，壁虎的脚趾可以产生附着力，附着力是一个物体抵抗从某个表面脱落的力量。而这种模仿壁虎脚趾的材料产生的是摩擦力，是对表面滑动产生出的抵抗力。虽然我们不能用一件微纤维材料制作的服装去试图做蜘蛛侠，不过可以用来生产特殊的鞋底、汽车轮胎和一些体育用品。橡胶那样的软材料虽然也可以有这些特性，但是新的聚丙烯材料更耐高温，穿起来也比橡胶制品更舒服。
　　看来，不久以后，穿上高摩擦力的鞋子，我们就可以尝试着在冰面上健步如飞了。
　　
超低温度：把原子关起来
　　令追求极限的科学家稍感遗憾的是，他们不能无限地让物体的温度下降。在科学上，温度其实是物质里含有能量多寡的一种度量。分子热的时候移动得快，有较高的动能。分子越冷，表明它的速度越低，能量也越少。温度的终极极限，就是0开尔文，相当于—273.15℃，当达到这一温度时，所有的原子和分子的热运动都将停止，这是一个只能逼近而不能达到的最低温度，被称为绝对零度。
　　虽然无法比绝对零度更寒冷，不过世界各地的科学家依然你追我赶，看谁能制造出更接近绝对零度的温度环境。
　　2003年，由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组改写了人类所达到的最低温度纪录：他们在实验室中达到了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度，而此前的纪录是比绝对零度高３纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上１纳开以内的极端低温！
　　这样的低温是如何达到的呢？冷却其实就是从一个物体取出能量，然后将能量排放到其它的地方的过程。如果能做到不断地从物体中攫取能量然后排放掉，物体的温度就会越来越低。要得到超低温度，首先要把物体进行激光冷却。用特定的激光照射被冷却的原子，射入的激光先被吸收，然后会在不同的方向重新射出。掌握好技术，就能做到散射的能量较吸收能量稍高。由于总能量守恒，能量的差额取自原子的运动，原子因而被减速，换句话说，原子的温度降低了。
　　当冷却到一定程度时，原子云会变得很稠密，这时进行冷却的第二步，用磁场将原子限制住。外加的磁场让原子可以抵抗重力而飘浮，并让原子靠在一起；结果磁场就像无形的墙，将原子困在一个磁笼里。在磁力的控制下，磁笼里能量高的那些原子会比能量低的原子跑得更远，最终飞离磁笼，而那些能量低，即温度更低的原子留了下来。
　　显然，我们不能用普通的温度计去测量磁笼内部的温度。科学家的测温方法是观察原子云的大小。原子云越大，里面原子的能量一定越高，因为它们可以抵抗磁力而跑得更远；原子云越小，说明温度越低，通过换算，就可以知道磁笼中的温度。另一种测温方法是测量原子的动能。将磁场突然撤掉，没有磁场束缚的原子会立即飞散，原子云迅速膨胀。观察原子云膨胀的速度，就可以得到原子的速度，进而换算成原子的温度。在一定的膨胀时间后，如果看到的原子云较小，则意味着磁笼中出现了较低的温度。
　　科学家费尽心机地制造出低温环境，当然有科研上的价值。利用超低温度，可以发现一些物质的新现象，也有助于制造更为精确的原子钟以及更为精确地测定重力等。
超强磁场：让电子慢下来
　　众所周知，罗盘的指针能够指示南北方向，这是因为地球可以看成是一块巨大的磁铁，周围空间存在着地磁场。地磁场比起人造磁场来，要逊色许多了。比如，日本东京大学的科学家开发出了“电磁浓缩超强磁场发生装置”，能够产生比实际地磁场高1200万倍的超强磁场，可谓是当今世界室内制造出的最强磁场。
　　超强磁场是怎样产生的呢？首先，在一个环状的初级线圈的两侧，插入同样是环状的金属套，在线圈和金属套之间，外界提供一个磁场，使初级线圈内出现了大电流，根据电磁感应定律，在金属套中会产生与初级线圈反向的电流。由于两电流方向相反，之间会产生作用力和反作用力，使初级线圈向外扩张，而金属套向内收缩，浓缩了原来的磁场空间，在环的中心产生了超高强度的磁场。这个超强磁场产生的时间只有50微秒，非常短暂。而且，超强磁场还会破坏坚固的线圈，所以利用超强磁场进行的实验都必须快速进行。
　　电子是决定物质性质的重要粒子，它高速地绕原子核旋转，一刻也不停歇，这让研究者难以一窥电子的奥秘。由于电子具有在磁场中不停地旋转的性质，人们往往用回旋加速器来研究电子。从量子力学的观点看，电子这样微小的粒子所处的磁场越强，回旋加速的运动半径就越小，电子就会被囚禁在很小的区域里，便于控制和研究。有了超强磁场，微小的电子也不得不乖乖地放慢它的脚步。
超大望远镜：偷听外星人讲话
　　我国目前最大的射电望远镜位于河北兴隆，直径有50米，在2006年刚刚竖立起来，是一架能够调节指向的望远镜。一般来说，能够转动的射电望远镜无法建得很大，因为随着望远镜口径的增加，一些困难也变得显著起来。比如，在望远镜转动的过程中，下方的支架极易损坏。目前世界上能够转动的射电望远镜中，最大的是位于德国的100米镜。而坐落于波多黎各的一台单碟片射电望远镜是目前世界上最大的望远镜，直径是305米，利用自然地形作为支撑，它是不能转动的。
　　直径305米，已经很巨大了吗？不，天文学家的胃口可没有这么小，他们现在正准备架设一台空前绝后的“1平方千米阵射电望远镜”！这台超大的望远镜实际上是由数十架乃至上百架射电望远镜在地面构成的接收网络。建成之后，望远镜的模样将类似于一幅麦田怪圈的图案，望远镜收集无线电信号的总面积达到1平方千米，也就是100万平方米！
　　射电望远镜接收来自宇宙空间的无线电波。在常见的设计中，遥远天体发出的无线电信号首先被射电望远镜锅状的表面反射到位于“大锅”上方的副镜中，再经过副镜的第二次反射，被位于“大锅”中央的接收器接收。如同人们对于计算机运行速度的追求一样，天文学家也总是希望拥有更大口径的望远镜，因为望远镜越大，他们能看到的也就越多。而这台设想中的1平方千米的望远镜，将让地球人看到更多的宇宙秘密。中国国家天文台的一位研究员半开玩笑地说，这样大的望远镜，就连外星人的电视信号都能探测得到，只要我们能把望远镜对准外星人的星球。
　　的确如此，这台未来的射电望远镜，它的观测灵敏度是现有射电望远镜的50倍以上，巡天的速度更是现有射电望远镜的1万倍，观测的范围涵盖了从脉冲星、黑洞，到星系、暗物质和暗能量的广泛的天体物理学目标。共有17个国家准备出资10亿欧元，共同建设这个无比巨大的望远镜阵列。根据规划，望远镜将在10年后建成，并从2020年起，运转至少50年。
　　观测技术的提高总是会带来更多意料之外的发现。在20世纪，射电天文学已经带来大量新发现，并造就了三个诺贝尔物理学奖。这个21世纪的射电望远镜阵列在未来又将给我们带来什么呢？
　　在极限环境下，原本平淡的世界变得美妙，甚至有些怪诞。在外人看来，科学家们“疯狂”地制造出极限的环境和设备，行为有些难以理解。但是在这些科学家的头脑中，他们却认为，聆听极限环境中物质的倾诉很有趣，也很有科学价值。何乐而不为呢？
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