無形而又刀槍不入的“墻”

石無魚

你一定去過海洋館吧。當(dāng)你步入水下世界，看到一條鯊魚齜牙咧嘴地向你游來，我想你是不會(huì)驚慌的。因?yàn)槟阒烙幸坏篮窈竦牟Ａυ诒Ｗo(hù)著你。而從鯊魚的角度來說，它倒是挺納悶的：明明“獵物”近在咫尺，可是一伸嘴，卻被一個(gè)無形的東西擋了回來。在它一生中，想必從未遇到過這樣奇怪的事情。

你還可能看過某些武俠小說或電影。一個(gè)武功高強(qiáng)的人，一發(fā)功，在自己周圍建立起一個(gè)無形的防護(hù)盾。敵人的刀槍劈刺過來，卻在空中莫名其妙地折了、斷了。誰都羨慕有這樣的武功！

或者，你還可能看過《星球大戰(zhàn)》之類的科幻電影。在太空中，戰(zhàn)爭的一方為自己人建立了一個(gè)無形的保護(hù)屏障。敵人的炮彈射過來，一觸到這個(gè)屏障，瞬間就汽化了;激光束射過來，一遇到屏障，就反射了回去。

《星球大戰(zhàn)》中的力場

這些無形而又能起到保護(hù)作用的東西，科幻小說里有一個(gè)名稱叫“力場”（注意，不要跟物理學(xué)上傳遞作用力的力場混淆）或者“能量墻”。

有了力場，在很多場合，它就可以取代磚和混凝土等日常建筑材料。有了它，我們不僅能保護(hù)自己免于敵人的任何傷害，而且還可以在險(xiǎn)惡的環(huán)境中（譬如炎熱的荒漠、高壓的海底或者不友好的外星球），建立人類自己的“世外桃源”：任外面“風(fēng)吹雨打”，“兵荒馬亂”，我自“風(fēng)花雪月”，“歌舞升平”。

好得如此不可思議的技術(shù)，似乎是天方夜譚，但在過去的幾十年里，天才的工程師和科學(xué)家們已經(jīng)制造出了這些未來技術(shù)的雛形。

用什么來建造力場？

用什么來建造力場呢？上面提到的力場是一種無形的東西。在理想的情況下，當(dāng)然最好是一堵非物質(zhì)的墻。自然界中什么是能對(duì)物質(zhì)起作用的非物質(zhì)的東西呢？我們首先想到的是物理學(xué)上傳遞作用的力場。像引力場、電場這樣的力場，雖然看不見、摸不著，卻是一種非物質(zhì)的客觀存在，能對(duì)有形的物質(zhì)起作用。

我們的能量墻需要在幾厘米或幾米的范圍內(nèi)起作用。但是，很遺憾，宇宙中的四種基本作用力——引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力——似乎都無法構(gòu)建這樣的能量墻。引力場太弱，而且只在恒星和行星這樣的尺度上起作用;電磁場很容易被敵人設(shè)置的電磁場抵消;核力很難被操縱，且只在原子的尺度上起作用。

因此，讓我們轉(zhuǎn)而求其次，看看能不能由物質(zhì)來構(gòu)建力場（這就是這里所說的“力場”跟物理學(xué)上說的“力場”不是一回事的理由）。物質(zhì)要透明，這樣才能顯得無形。固態(tài)的玻璃、液態(tài)的水和氣態(tài)的空氣，當(dāng)然都是透明的，但都不符合我們的技術(shù)要求。我們不得不轉(zhuǎn)向物質(zhì)的第五種狀態(tài)——等離子體。

雖然我們對(duì)等離子體不太熟悉，但它卻是整個(gè)宇宙中物質(zhì)最常見的狀態(tài)。宇宙中超過99%的物質(zhì)是等離子體。在等離子體中，由于高溫，電子已從其原子中剝離，帶正電荷的原子核和帶負(fù)電荷的自由電子混在一起，像一鍋“湯”一樣。存在能自由移動(dòng)的電荷，這意味著它有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，能夠受到電場和磁場的強(qiáng)烈影響——因此容易受電場和磁場的操控，而且等離子體的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體。這些特性賦予它很多奇怪的本領(lǐng)（下面就會(huì)講到），使它成為建造力場的完美材料。

利用高壓靜電電離氖氣和氬氣分子產(chǎn)生的等離子體球

至于如何獲得等離子體，倒是很簡單。我們可以通過用高壓電把氣體加熱到高溫來獲得。譬如，如果加熱像氬氣這樣的氣體，所產(chǎn)生的等離子體將發(fā)出迷人的藍(lán)色輝光。用這種等離子體制作的等離子體墻，就可以實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。

我們目前有三種等離子體墻，有的處于早期研發(fā)階段，有的已經(jīng)有了初步應(yīng)用。下面我們就給大家介紹這三種等離子墻。

沖擊波防護(hù)墻

第一種類型的等離子墻，是用于保護(hù)軍用車輛免受沖擊波影響的。

我們知道，在戰(zhàn)爭中能量大的爆炸（如導(dǎo)彈），不僅四射的彈片可以直接傷人，所產(chǎn)生的沖擊波也會(huì)對(duì)人對(duì)物造成巨大的破壞。

沖擊波是爆炸瞬間形成的高溫火球猛烈向外膨脹、壓縮周圍空氣形成的高壓氣浪。它不僅可以通過超壓擠壓人的內(nèi)臟和聽覺器官，直接致人死命，還可以沖擊毀壞建筑物、車輛和武器裝備。

2020年，美國波音公司研制成功一種保護(hù)士兵和軍用車輛免受沖擊波影響的等離子體墻。該裝置由四個(gè)部分組成：傳感器、電弧發(fā)生器、激光器和微波發(fā)生器。

該裝置計(jì)劃安裝在軍用車輛上。它的傳感器能探測附近發(fā)生的爆炸，確定爆炸的當(dāng)量。一旦探測到，電腦能快速計(jì)算出沖擊波到達(dá)目標(biāo)所需的時(shí)間，以及從哪個(gè)方向來。接下去，它就利用電弧、激光和微波，迅速加熱車輛和爆炸之間的空氣墻。它將這些空氣加熱，產(chǎn)生一個(gè)比周圍空氣密度大的等離子體防護(hù)罩。由于等離子體的特性，這道等離子體墻可以反射或吸收沖擊波的能量，使“墻”后的車輛和士兵免受破壞性影響。

然而，美中不足的是，這種力場只對(duì)沖擊波起作用。它與科幻片中的力場不同，無法阻攔飛來的固體物，如石頭或彈片。

不過，這個(gè)缺陷或許是可以改進(jìn)的。有專家提出，未來的力場將由三層組成：第一層是高溫、高功率的等離子體墻，它可以阻擋沖擊波，并將進(jìn)入墻內(nèi)的固體物部分汽化。第二層將由數(shù)以千計(jì)的激光束組成，排列在一個(gè)緊密的晶格中，任何沒有被等離子體墻汽化的固體物，再次會(huì)受到激光束的照射而汽化。第三層是碳納米管網(wǎng)。碳納米管是一種像石墨烯一樣的材料，只有一個(gè)原子的厚度，因此肉眼看起來是透明的，但它比鋼還堅(jiān)韌，富有彈性。前兩步中沒有被徹底汽化的固體物，飛到這一層，將直接被碳納米管網(wǎng)住，并彈回去。

這樣三層的保護(hù)網(wǎng)將能阻止大多數(shù)射來的固體物，為一個(gè)城市提供強(qiáng)大的防御。除此之外，它還有防激光、防輻射的功能，這一點(diǎn)我們留待下一節(jié)再談。

為飛船制造“迷你磁層”

另一種類型的等離子墻可用于保護(hù)宇航員免受太空的輻射。

高劑量的太空輻射是前往火星的載人任務(wù)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。即使是最短的往返旅行也至少需要18個(gè)月，在這段時(shí)間里，宇航員將暴露在太空中呼嘯而過的亞原子粒子中。這些粒子能夠打斷人體細(xì)胞的DNA，增加患癌癥和其他疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

人們認(rèn)識(shí)到這種危險(xiǎn)性已經(jīng)有近半個(gè)世紀(jì)了，但由于成本和技術(shù)難度，似乎無法解決。一些專家曾想過用鉛或大量的水來保護(hù)宇航員，但讓飛船搭載這么多東西，發(fā)射成本高得超乎想象。

另一個(gè)想法是模仿地球磁場。我們知道，地球磁場雖然微弱，卻能偏轉(zhuǎn)太陽風(fēng)和宇宙射線，保護(hù)地表的生命。因此，我們或許也可以借鑒這一做法，制造一個(gè)磁場，把飛船整個(gè)包裹起來。當(dāng)然，我們可以把磁場做得遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于地磁場，這樣它的規(guī)模就可以大大地縮小。但是不管怎么小，根據(jù)計(jì)算，這個(gè)“迷你磁層”的尺寸也需要方圓數(shù)百千米。為維持這個(gè)磁場，不僅設(shè)備龐大，能量也消耗巨大，而且強(qiáng)磁場還可能傷及宇航員。

我們需要的是一個(gè)超輕的輻射防護(hù)罩。于是，有人想到了等離子體墻。

關(guān)于等離子體能阻擋輻射這一點(diǎn)，我們其實(shí)也是從地球自身獲知的。在我們頭頂約64千米高處以遠(yuǎn)，是地球大氣層的最后一層——電離層，在它外面就是太空。電離層的氣體被太陽加熱，成為一個(gè)等離子體。等離子體可以反射無線電波，阻止無線電波穿透。因此，在沒有人造衛(wèi)星之前，無線電信號(hào)的轉(zhuǎn)播，完全依賴電離層。

一艘被力場包圍的宇宙飛船可以保護(hù)宇航員免受太空有害的輻射。本圖顯示的是《星際迷航》中能偏轉(zhuǎn)高能粒子的防護(hù)罩。

等離子體墻能否阻擋輻射，關(guān)鍵要看等離子體墻的密度。地球電離層中的等離子體太稀薄了（因?yàn)楦呖盏拇髿馓”×耍?，所以它只能阻擋長波段的無線電波，波長短的輻射就無法阻擋。但只要我們能為宇宙飛船制造出密度更高的等離子體，它就能夠阻擋波長更短的輻射，如伽馬射線和宇宙射線。

在科幻片《星際迷航》中，宇航員打開一個(gè)輕巧的防護(hù)罩來保護(hù)太空艦“企業(yè)號(hào)”免受太陽風(fēng)（主要成分是質(zhì)子）的攻擊。與此類似，最近科學(xué)家想出了一種低功率、輕量級(jí)的等離子體力場，可以讓宇航員免遭危險(xiǎn)的太空輻射。為了做到這一點(diǎn)，你只需要幾克氫氣、一些金屬網(wǎng)和一個(gè)電源。

首先，高壓電將氫氣電離成等離子體，輕輕地從飛船上射出去。一個(gè)鐵絲網(wǎng)在一定距離內(nèi)將整個(gè)飛船包裹起來，通過這個(gè)鐵絲網(wǎng)還可以施加電壓，誘發(fā)一個(gè)磁場，將等離子體束縛在飛船周圍。

這個(gè)“迷你磁層”防輻射能力與幾厘米的鋁板相當(dāng)，將能阻擋太陽風(fēng)中的絕大多數(shù)粒子。不過，單這么一個(gè)等離子泡，對(duì)高能的宇宙射線似乎不起作用。為了應(yīng)對(duì)這種威脅，還需要將飛船用特殊材料包裹起來，就像穿防彈背心一樣。

這樣算下來，整個(gè)裝置將重約幾百千克，功率約1千瓦，僅是今天的通信衛(wèi)星能耗功率的1/3到1/2。

據(jù)說，美國宇航局目前正在為未來的火星項(xiàng)目研究這個(gè)設(shè)想。未來，我們或許真的可以乘坐由等離子體力場包裹的飛船去火星！

加速器上的無形“氣閘”

如果說前面介紹的兩種等離子體力場還僅僅是設(shè)想，那么下面要介紹的第三種力場就是已經(jīng)投入使用的實(shí)在東西了。這種力場叫等離子體窗，已經(jīng)在一些物理實(shí)驗(yàn)中使用。

等離子體窗是一個(gè)由強(qiáng)磁場固定的等離子體平面。就像波音公司的等離子體墻一樣，這個(gè)等離子體窗可以兩邊保持不同的壓力。因此，一邊可以是真空，另一邊是正常的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，而等離子體的強(qiáng)度足以讓兩者截然分開，同時(shí)又允許固體物和某些波長的光直接通過。

如果你使用氬氣來制造等離子體窗，你可以得到一個(gè)藍(lán)色的力場，就像你在《星球大戰(zhàn)》和《星際迷航》中看到的力場一樣。遺憾的是，現(xiàn)在的等離子體窗還沒法做得那么大。我們?cè)诹Ｗ蛹铀倨鳎ㄈ鐨W洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）中使用的等離子體窗通常都非常小。

粒子加速器之所以用到等離子體窗，是因?yàn)樗鼈冃枰粋€(gè)完美的真空環(huán)境來工作，但有時(shí)科學(xué)家卻需要從外面射入激光，來操控里面的粒子束，或者把粒子束射出去，譬如從加速器上把高能電子束引出去，瞄準(zhǔn)目標(biāo)做精度極高的焊接。玻璃窗是無法勝任這些工作的，所以我們制造微小的等離子體窗來隔開加速器內(nèi)部的真空和外部的大氣。等離子體窗在這里起到氣閘的作用。

力場看起來就像一面鏡子

電磁波譜，從上到下，能量（頻率）逐漸升高。

現(xiàn)實(shí)中力場的缺陷

從上面的討論中可以看到，如果我們有足夠的電力和足夠強(qiáng)大的磁鐵，就能制造出科幻片中所設(shè)想的那種防彈、防輻射、防激光的力場。科學(xué)幻想確實(shí)不完全是空想！

但是另一方面，我們也不得不承認(rèn)，科學(xué)上能實(shí)現(xiàn)的力場恐怕也無法達(dá)到科幻片中的要求。

在科幻片中，敵人的炮彈、激光打過來，被我們的力場擋住，“百煉鋼化為柔指繞”;而我們自己的炮彈和激光，卻能穿過力場打擊敵人?？墒牵F(xiàn)實(shí)中的力場技術(shù)沒有這么神通。等離子體墻能汽化敵人射來的炮彈，當(dāng)然也能汽化我們射過去的炮彈;能反射敵人的激光，當(dāng)然也會(huì)反射我們自己的激光。所以，現(xiàn)實(shí)中的力場只起到防御作用，無法反守為攻。這是第一點(diǎn)。

其次，科幻片中的力場是對(duì)“墻”兩邊的人都透明的。“墻”內(nèi)的人看著“墻”外敵人的炮彈紛紛汽化，激光反射回去傷著自己，那才夠戲劇性。但現(xiàn)實(shí)中的力場雖然無形，對(duì)交戰(zhàn)的雙方很可能都是不透明的鏡子，無法看到“墻”另一面的彼方，因而戲劇性大打折扣。這一點(diǎn)容我下面做詳細(xì)解釋。

我們的力場一個(gè)重要用途是防激光。這是因?yàn)樵谔諔?zhàn)中，由于戰(zhàn)艦處于失重的狀態(tài)，對(duì)它施加一個(gè)微小的力，都足以讓它暈頭轉(zhuǎn)向，所以傳統(tǒng)的武器（如子彈、炮彈和導(dǎo)彈），由于發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力，會(huì)把戰(zhàn)艦推離軌道，已經(jīng)失去了意義，尤其要仰賴激光武器。

敵人的激光需要高能量才能傷害到我們。光束的能量越高，光的頻率也越大（光子的能量與頻率成正比）。為了保護(hù)我們免受敵人高頻激光的傷害，我們的力場需要由高密度的等離子體組成，因?yàn)榈入x子體密度越高，它能反射的光的頻率也越高。

但是，密度高的等離子體不僅能反射高頻率的光，也仍然能夠反射低頻率的光。如果高功率的激光，其頻率大于可見光的頻率，甚至在紫外線范圍內(nèi)，那么等離子體墻不僅反射敵人高頻率的激光，也反射可見光。如此一來，對(duì)敵對(duì)我，等離子體墻就相當(dāng)于一面巨大的鏡子了。在它面前看來看去，你只能看到自己的影子，無法看到敵人。這對(duì)于太空戰(zhàn)來說并不理想。

當(dāng)然，對(duì)于這一缺點(diǎn)，也有改進(jìn)的希望。譬如，我們?cè)谔栫R中使用了一種能過濾高能輻射的材料。這種材料可以過濾太陽光中的紫外線，同時(shí)又不影響可見光穿過。也許未來的力場也可以借鑒這樣的技術(shù)。

總之，力場的設(shè)想最初提出來時(shí)，幾乎被人認(rèn)為是天方夜譚，而這樣“不切實(shí)際”的技術(shù)竟然也有實(shí)現(xiàn)的可能，這不能不讓人驚嘆。