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「光劍」是吐槽會決鬥的黑科技,還是快要上市的神兵利器?

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星際大戰電影劇照。Source: Manuel Sagra

1977年,電影『星際大戰』上映,開創了一個迷人的科幻世界,也創造了一個對武器的全新想像  – 光劍。在槍砲橫飛的廝殺戰場上,絕地武士揮舞光劍穿梭其間的靈活身影更顯得優雅而高貴。這項這項獨一無二的武器,更從星際大戰的戰場,揮舞到了各個動漫作品的舞台上。而光劍到底是什麼?試圖去研究與應用各種科技來讓光劍問世,也成了許多科學家和宅宅們心中的一大夢想。

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出賣實驗室學妹示意圖,這張圖真的沒有特效喔 =w=

光劍是什麼?

在星際大戰的世界裡,光劍的劍刃被敘述成一個純粹的能量體,他的能量可能來自於劍柄內的電池,以及掌握「原力」者,可以將原力藉由劍柄內的水晶,轉化為能量,再透過透鏡組等等,折射成劍刃的形狀。具有超高的溫度足以削鐵如泥,唯有另一柄光劍能將其擋下。大致盤點一下電影中,光劍所具有的特色:

  1. 會發光(廢話….)
  2. 非常熱,熱到可以把太空艙門融化
  3. 劍刃像個長約1公尺的圓柱,劍柄是個20-30公分的金屬柱
  4. 似乎可以輕易砍斷所有東西、不同劍刃彼此碰撞相擊似乎不會損壞
  5. 可以反彈光束槍
  6. 會發出嗡嗡嗡(市長表示____)

如果要符合這些特色的話,具有高能量的雷射是一個常常被提到的可能,1982年福克蘭群島戰爭,英軍利用雷射照射阿根廷的戰機讓駕駛員炫目[1];1983年美國的星戰計畫,更提出了許多利用光束武器來摧毀敵方彈道飛彈的想法[2];近2年來,美國海軍更開始在船艦上安裝了雷射武器[3]

儘管雷射、光束或其他電磁波可能隨著進展而使能量越來越高。但很明顯光劍絕對不僅止於此,因為光不具有實體也沒有質量,兩道無論能量大小、頻率高低的光束相交時只會單純地通過彼此,而且會無限制地延伸下去。如同(在充滿PM 2.5的地方)拿手電筒或雷射筆揮舞。因此,若要讓光劍成形,我們可能需要讓這些高能量的光在指定長度時「停下來」;還需要讓這些光彼此之間是能夠「碰撞」的

One of the very few shots that I took with my Canon EF 100mm f/2.8 macro lens. 

Oh how I wanted that lens for so long but I guess it wasn't quite meant to be as some of you may have noticed by now, something has changed.

Source: Kenny Louie

讓光停下來?

如果不希望這些高能光束無限制地延長下去的話,除了拿日光燈管以外是可以找一個東西在預計的劍刃末端擋住光,或是找片鏡子把光束反射回來。當然這時候你需要想一個可以把鏡子懸浮在空中的方式,也許幾根鐵絲搭配修圖軟體可以做得到,但這太low了拿出去會被恥笑……

讓光停下來似乎有點天方夜譚,但讓光跑得慢一點卻是並不太陌生的現象,在物理學上我們已經知道光在不同介質中的速度會不一樣,例如在玻璃中的速度僅有真空中速度的三分之二。2009年哈佛大學 L.V. Hau等人的研究,利用具有電磁感應透明 (electromagnetically induced transparency, EIT)效應的介質,在極低溫的狀況下,將鈉原子氣體處於Bose–Einstein凝聚態。利用兩道不同的雷射互相干涉,使光子被氣體原子吸收後再放出,但仍保有原有的量子態而可視為同一顆光子。經歷原子的吸收與放出過程,大幅減緩停滯了光的行進,約讓光在氣體中停留了長達1.5秒[4]!!

不過,就算隨著技術的進展讓我們能把光停留的時間大幅增加,這都還需要用低溫氣體作為劍刃,恐怕看起來會比較像根……冷冰冰的日光燈管。

有溫暖的地方,就有光:熱輻射

試圖去控制光,恐怕還太困難一點。或著可以反過來想想,有沒有可能製造一個熾熱物體,這個物體又剛好會發光,再把這個炙熱的物體作成劍刃的形狀呢?這樣的例子其實還蠻常見到的,例如白熾燈泡裡的鎢絲、熔岩和煉鐵都是同時間會發光發熱的現象。進一步發現,發光的顏色還會與物體的溫度有關,當溫度為1000K時會呈現如燃燒煤炭的紅色,升溫到2000K時,則會呈現白熾燈泡的亮黃色。

這樣子升溫後開始發光,不同溫度又有不同顏色的現象,被稱之為「熱輻射」:當溫度高於絕對零度,原子之間的碰撞的動能,會導致帶電粒子有加速度或偶極振盪而產生電磁輻射。當物體的溫度在室溫時,所發出的電磁輻射位於人眼無法觀測到的遠紅外線波段,但隨著溫度的提高,就開始能觀測到不同顏色了。

因此,用熱輻射的原理來製造光劍看起來是有點可能的,例如紅色光劍只要找根鐵棒加熱到攝氏700-900度,不過藍色光劍就有點麻煩了,他需要加熱到一萬度左右,但目前發現熔點最高的物質是Ta4HfC5,他的熔點也僅有攝氏3990度[5]而已……

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黑體在不同溫度時,所顯現的顏色。Source: midnightkite

繽紛的火焰魔法:電漿

把金屬加熱到一萬度做把藍光劍,恐怕還是困難重重。但藍色的高溫火焰倒是挺常見的,在一些工業加工上甚至可以用高溫的火焰來切割金屬,而適當調配火焰的燃料和空氣流速,似乎還真能做出個劍刃的形狀。而火焰在高溫處,使氣體離子化的部分,有著一個別於物質三態的特別狀態 — 電漿。

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手持用電漿切割器。Source: Wikipedia

當氣體不斷被加熱到數千度時,會使得氣體裡的原子電離,形成了由帶電離子、電子和中性粒子所組成的電漿。例如火焰的高溫處、閃電、極光以及電焊時產生的高溫電弧都是電漿。也因為電漿態中的離子具有電性,因此理論上可以利用電磁場將他們束縛在特定位置而製造成如劍刃般的形狀。

電漿可以具有很高的溫度,例如工業上利用的電漿切割機,核心溫度可達五千至一萬度,足以切割15公分厚的常見金屬。若以電漿作為光劍的劍刃,無論是成色、形狀與高能量,似乎都略能滿足削鐵如泥的神兵條件。也有許多動漫作品相信這樣的光束武器就是由電漿所組成的。例如「機動戰士鋼彈」系列就虛構出了「米諾夫斯基粒子」,當這種粒子升溫到電漿態時,就可以用作鋼彈的光束軍刀。

不過這樣恐怕還不夠,電漿劍刃的性質比較像是一根被電磁場或氣流束縛的超高溫氣體,就算兩劍相擊也無法有實體敲擊碰觸的感覺。為了解決這樣的問題,物理學家加來道雄(Michio Kaku)提出了以伸縮陶瓷管作為劍刃的想法。伸縮陶瓷管如伸縮警棍一般,是由一節一節的陶瓷管組成,因此可以控制長度。陶瓷管上有許多小孔,高溫電漿在劍柄製造出來後,沿著陶瓷管內流動,並隨小孔流出管外。在這樣的設計之下,我們就有機會得到一支能伸縮、能敲擊、能融化金屬的電漿光劍了!!

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加來道雄提出的陶瓷光劍示意圖[6]

除了削鐵如泥的劍刃,你可能還需要…..

BUT!人生最無奈的就是這個BUT!多數目前的耐高溫材料的承受溫度上限在攝氏2000-3990度,比起工業用的電漿火炬核心最低溫5000度還差了整整一千度。若真要做出一把長達一公尺的光劍,在這伸縮劍刃管的耐熱材質研究上,還有很大的努力空間;你需要一個比目前手持用電漿切割器功率還要再大上百倍的且還能塞在小小劍柄中的加熱器;還需要能穩定製造流動一公尺遠才發散的氣流,或是製造能維繫一公尺距離電漿的強大電磁場;還需要能量密度需要至少萬倍於鋰電池的能量來源。雖然,近幾年針對奈米碳管或石墨烯的研究中,也製造出已經可達到鋰電池十倍能量密度的奈米碳管[7],儘管具理想目標也仍有相當距離。但高能量密度材料與電漿製造和控制的技術若能研發成功,無論你是風暴白兵或是拾荒反抗軍,拿起裝上奈米碳管的電漿光劍,不用原力的青睞,你也能成為戰場前線的imba角色!!

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當然,光劍科技實在太逆天了!若有緣相遇野生的馬可多大師,你也會有機會手工打造一把屬於你自己的光劍囉~~

參考資料:

  1. 科技大觀園. ”雷射武器”. 2007.
  2. Wikipedia. “Strategic Defense Initiative”.
  3. CNN. “Navy: New laser weapon works, ready for action”. 2014.
  4. APS Physics. “Pysical Review Letters”. 2009.
  5. Wikipedia. “Tantalum hafnium carbide”.
  6. Dr. Michio Kaku. “Video clip from sci-fi science light saber episode”. 2009.
  7. DSpace@mit. “Energy storage in carbon nanotube super-springs”. 2008.

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關於作者

非典型的不務正業者,對資訊與真相有詭異的渴望與執著,夢想能做出鋼鐵人或心靈史學。