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2012-10-16 14:09 上傳
十、攔截導彈
撰文 漢斯•A•貝蒂(Hans A. Bethe)，理查德•L•加溫(Richard L. Garwin)，庫爾特•戈特弗里德(Kurt Gottfried)，亨利•W•肯德爾(Henry W. Kendall)
1967年諾貝爾物理學獎得主(貝蒂)，1990年諾貝爾物理學獎得主(肯德爾)
本文刊登於1984年10月《科學美國人》
去年，美國總統羅納德•里根在電視演講里，號召全美科學界「給予我們新技術，放棄這些老舊無用的核武器」，表達了對技術革命的渴望，希望新技術的出現，能讓美國有能力「在戰略彈道導彈落到我們或者盟國的土地上之前，對導彈實施攔截。」
有能夠消除核滅絕威脅的彈道導彈防禦系統嗎？
我們對彈道導彈防禦系統前景的分析，將集中在助推階段的攔截上。
助推階段的攔截需要許多非武器的設備原件。我們通過探測助推器噴出的火焰，提供早期的攻擊預警。在確定來襲導彈的數量、運行軌跡及其型號(有可能的話)之後，鎖定它們，然後就準備、瞄準併發射攔截武器，並且評定此次攔截是否成功，接著發射下一輪攔截武器(如果時間允許)。
為了摧毀助推器，我們必須在看到導彈之前，就開始進行攔截(如果等到發現它之後再攔截，就來不及了)。所以，防禦系統必須從數千千米高的太空中開始助推器階段的攔截。為此，目前有兩種「定向能」武器(高度精準的武器)正在研發中：一種是利用激光束，它的速度是光速(300000千米/秒)；另一種是粒子束，速度也差不多和光速一樣快。目前，人們已經設計出了一種能夠追蹤助推器紅外信號的防爆彈。
此外，其它攔截方案，包括化學激光武器、中性粒子束武器和自動追蹤武器，都必須要安置在地球低軌道上。
目前，最亮的一種激光是，由氟化氫化學激光器產生的紅外激光束。美國國防部計劃，於1987年底之前展示一部兩百萬瓦特功率的這種激光器。假設人們目前已經擁有2500萬瓦特功率的氟化氫激光器，以及性能完美的10米直徑反光鏡。這就相當於得到了一種具備3000千米「殺傷半徑」的武器。如果每一部激光器都能發揮其最大功效，那麼，300部位於低軌道上的這種激光器，就能夠摧毀1400枚洲際彈道導彈的助推器。
粒子束武器發射的高能帶電粒子束，能夠鑽進導彈彈體深處，擾亂其導航系統中的半導體元件。然而，這些帶電粒子束會受到地球磁場的影響，運動軌跡發生彎曲。也就無法精確瞄準遠距離目標。因此，人們需要製造出中性粒子束。此外，攻擊導彈可以使用具有極強抗輻射能力的砷化鎵半導體(它的抗輻射能力比硅半導體強1000倍)，以保護導彈的導航計算機免受損傷。
十一、對時間的精確測量
撰文 韋恩•M•板野(Wayne M. Itano)，諾曼•F•拉姆齊(Norman F. Ramsey)
拉姆齊是1989年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1993年7月《科學美國人》
隨著捕捉、冷卻原子和離子的新技術出現，我們完全能夠讓時鐘比現有的水平精確1 000倍。
最有希望的一種方案是利用被捕捉的帶電離子的共振頻率。被捕捉的離子能夠懸浮在真空中，所以它們幾乎完全不受外界幹擾，也不會同其他離子或者器壁發生碰撞。
捕捉帶電離子兩種「陷阱」。「潘寧阱」利用非均勻靜電場和均勻靜磁場的組合束縛住離子；在射頻阱(通常稱為「保羅阱」)則用振盪的非均勻電場束縛離子。惠普公司、噴氣推進實驗室，以及其他地方的研究人員研製出了使用保羅阱的標準實驗裝置。被捕捉的「獵物」是汞199離子，其最大Q值(Q代表粒子的穩定性，Q值越高，穩定性越好)標準超過了1012。這一數值比當前銫束原子鐘的Q值高10000倍。
中性原子捕捉和冷卻比捕捉離子更困難，在過去幾年里，它的技術取得了很大進展。其中的激光冷卻技術使用的是沿三條互相垂直的路徑上傳播的三對相向激光束，特別有效，可以使任何運動方向的原子慢下來。研究人員受此啟發，設計出了「光學粘膠(optical molasses)」。與離子阱相比，中性原子阱能夠儲存的原子密度更高。這是由於離子帶電，會因相互排斥作用而保持距離。在其他參數相同的情況下，原子越多信噪比越高。
使用中性原子作為頻率標準的主要障礙是，原子在阱里的共振會受激光場的強烈影響。現在，一種被稱作「原子噴泉」的器件克服了這一難題。在一些樣品原子被阱捕捉並冷卻後，它們被向上推，進入沒有激光的區域；然後，原子會由於引力的作用再落回來。在向上、向下的運動路徑上，原子都會經過振盪的場。通過這種方式，共振轉換被激發，就像位於不同振盪場束的器件一樣。
阱里的激光冷卻離子是目前研究的熱點，它是一種光學共振，頻率高達數千吉赫茲(吉：十億)。因為它Q值很高，這種標準為精確時鐘提供了很有前景的基礎。美國國家標準及技術研究所的研究人員，在單激光冷卻被捕捉離子的紫外頻段共振振盪上，觀測到了高達1013的Q值。這個數值是迄今為止，光學或微波原子振盪中發現的最高Q值。
對時鐘準確度的期望越高，越能促使我們優化當前的技術。這將打開通往新功能的一扇門。也許只有時間能告訴我們這些新功能是什麼。
十二、碳元素的奇妙王國
撰文 安德烈•K•海姆(Andre K. Geim) 菲利普•金(Philip Kim)
海姆是2010年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於2008年4月《科學美國人》
每當用鉛筆在紙上畫上一道，紙面上留下的痕跡裡面就包含些許當下物理學和納米技術領域最熱門的新材料：石墨烯。石墨，即鉛筆里的芯，是純碳的一種形式。它由平的、一層層堆砌起來的碳原子構成，石墨烯是對其中一層原子的稱呼。它由不斷重複的六角形網狀結構的碳原子構成，厚度僅為一個原子。它不僅是所有材料中最薄的，還十分牢固堅硬。此外，它在純態、室溫下傳導電子的速度比任何其他物質都要快。目前，世界各地實驗室的工程師們都在研究這種物質，以確定它是否能被用來製造智能顯示器、超高速晶體管以及「量子點」計算機。
另外，石墨烯在原子尺度上的奇異特性，還可以幫助物理學家們深入研究那些必須用相對論量子物理描述的現象。在這以前，對此類現象進行研究，一直都是那些使用著價值數百萬美元的望遠鏡或粒子加速器的天文物理學家和高能粒子物理學家們的「專利」。石墨烯的出現，使實驗物理學家們用實驗室里的小型儀器就能測試那些相對論量子力學預言了。
石墨烯的這兩個特點使其成為一種獨特的材料。首先，雖然它是以相對原始的方法被生產出來的，但石墨烯的結構卻非常完美。這是由於其含有的高純碳，以及碳原子排列成的晶格高度有序性的共同結果。至今，研究人員還未發現石墨烯裡面有一個原子缺陷──比如，晶格某些原子位上存在空缺，或者哪個原子的位置不對。這種完美的晶體結構秩序似乎來自於雖牢固卻可高度曲彎的碳原子間的化學鍵，進而讓它成為一種比鑽石還堅硬，同時在施加外力時又可以平面彎曲的物質。它的高質量晶格還賦予了石墨烯極高的導電性。它裡面的電子能夠自由運動，不用擔心會被晶格缺陷和外來原子散射出去。
石墨烯的第二個獨有特性是，它的導電電子運動速度比那些穿過普通金屬和半導體里的電子要快得多，彷彿質量比它們輕許多。實際上，石墨烯里的電子(或「電荷載體」)是一種奇妙的東西，屬於由類似相對論量子力學等理論規則支配的神奇世界。石墨烯固體里的這種相互作用是獨一無二的。由於石墨烯的出現，相對論量子力學不再局限於宇宙學或高能物理學中，終於走進了普通實驗室。
有一個研究方向特別值得提出，那就是基於石墨烯的電子器件研發。我們前面已經提到，石墨烯里的電荷載體運動速度很快，而且幾乎不會同自身晶格里的原子碰撞、損失能量。這一特性可用來製造彈道晶體管，這是一種比現有晶體管響應速度快得多的超高頻器件。
更誘人的是，石墨烯能幫助微電子工業延長摩爾定律的適用期。即使在納米尺度上，石墨烯仍然具有出眾的穩定性和電子導電性，我們可以用它製造尺度小於10納米，甚至小到一個苯環尺度的單獨晶體管。在不遠的未來，我們或許可以在一片石墨烯上刻製出整個集成電路。
無論這個只有一個原子厚的奇妙物質未來前景如何，至少它在以後數十年必將仍是研究的熱點。工程師們將繼續努力把創新型的石墨烯副產品推向市場，物理學家們也將繼續測試它奇異的量子特性。但是，最令人震驚的也許是，如此神奇的東西，竟然在普通鉛筆里隱藏了幾個世紀。
來源 香港新浪科技
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