星球大战照进现实

    看过电影《星球大战》的读者，相信会对其中占有举足轻重地位的武器——光剑印象深刻。那是一种以纯粹能量凝聚成的“利剑”，长约一米左右，还会发出特定颜色的光芒。不少人以为构成剑身的物质是激光或其他光束，但是这一说法是违背物理定律的——光子作为一种几乎没有质量的基本粒子，就像是一种“超然”的存在，如果把两束激光彼此相对，光子只会互相穿过，根本不可能成为一种固态，并在挥动时发出嗡嗡的声音。然而，随着量子光学的发展，最新的科学研究显示，这种存在于科幻小说电影里的“光剑”似乎有望实现。

“光剑”是怎么形成的？

    美国哈佛大学物理学教授米哈伊尔·卢金和麻省理工学院的物理学家弗拉丹·卢勒狄克教授所率领的科研团队日前在《自然》杂志上发表了他们最新的研究成果：通过将光子与分子结合，成功地创造出了一种此前未被观察过的物质形式——它基本上就是一个真实版的“光剑”。

    这似乎违背了物理定律，光子可能被实质化吗？毕竟，这些光粒子一直都被认为是不会相互作用的无质量微粒。卢金教授表示：“我们在做的就是创造一种特殊的媒介，光子在媒介中能够强烈的相互作用，这就会使它们表现的如同有质量一般，而且它们会黏合在一起来形成分子。这种光激束缚态长期以来都处于理论探索阶段，但是到目前为止还尚未实现。”

    研究者将铷原子吸入真空室，然后用激光将原子云冷却至接近绝对零度，再使用极弱的激光脉冲将单个光子射入原子云。进入冷原子云的光子的能量激活了沿途的原子，使得光子的速度大大变慢。但是，随着光子继续穿透电子云，能量在不同原子间切换，最终与光子一起离开电子云。当科学家同时发送一个以上光子时，观察到光粒子会堆积在一起，并且一道脱离原子云，就像单个的分子，从而使光子开始成为“光分子”——就像在上演一场“量子罗曼史”。这一现象甚至能被人眼所观察到。

    科学家所目击的这种现象被称为“里德伯封锁”效应。简单地说，这种效应就是当两个光子进入原子云里，第一个光子会激活原子，但在第二个原子能够激活临近原子之前它就已经向前继续移动。产生的结果便是两个原子互相推拉穿过整个电子云，它们的能量从一个原子传递到下一个。

    “这与玻璃杯里光折射是相同的效应。”卢金解释道：“当光进入水里，它将部分能量传递给媒介，在水里光和物质结合在一起，但当前者离开时，它仍然还是光”，“现在这个过程非常相似但更加极端——光速被极大的减慢，大量能量在折射过程中丢失”，“光分子的特性并不像传统的激光，而是更类似于光剑。当这些光子相互作用，它们会彼此推挤并偏移”。他说，这些分子之间产生的物理学更类似于我们在电影里所看到的，是一种全新的物质形式，与电影《星球大战》里的光剑非常类似。

“光剑”有什么用？

    虽然这一发现让所有的科幻爱好者们议论纷纷，但是科学家们更关注于这种材料的实际应用——形成的光分子将更有可能推动量子计算的进步。“它或可能有助于我们正在进行的研究，成为携带量子信息最可能的方式。”卢金说：“尽管唯一的不利条件是光子之间并不会发生相互作用。”

    为了建造量子计算机，研究人员需要建立一个能够保存量子信息的系统，并利用量子逻辑运算处理这些信息。然而，目前面临的挑战是，量子逻辑需要单个量子之间的相互作用，使得量子系统能够相互切换进行信息处理。“我们演示的这个过程证明我们是能实现这一点的。”卢金说，“在我们进行有用、实际的量子转换或者光激性逻辑门之前，必须提高性能。虽然目前仍处于概念验证阶段，但这是非常重要的一步。”

    这一研究成果甚至可以用于经典计算。卢金表示，这项研究或许也能让当代芯片制造商施行把光转化成电信号的工作，尤其是考虑到芯片制造商面临的功率损耗等问题，不少公司正在试图研发依靠光学路由器的系统，将光信号转换为电信号。

    而最令人兴奋的应用，莫过如该研究可能终会有一天让人们用“光”打造出复杂的3D结构，比如晶体。“它们具体的应用目前我们还不清楚，但这是一种新的物质形态，因此我们希望随着不断调查这些光分子的特性，新的应用领域会逐渐出现。”卢金说。

中国版“光剑”

    作为科幻粉丝心目中头号炫酷武器，“光剑”的原理已经被讨论了几十年了。有人认为“光”剑是激光剑，连原著都将其设定为与激光很接近的概念——通过某种特殊的晶体将“原力”实体化。但是激光无法限定在有限范围，更不会在互相“碰撞”时发出砰砰声。于是随着科学的发展，星战的粉丝们开始为“光剑”寻找各种不同的“科学”解释，现在占主流的解释就是等离子体剑——高温等离子体可以削金断玉，可以用于磁场约束;也有人认为陶瓷等耐高温物质也可用作光剑材料，等等。

    其实，在中国也有“光剑”。中国版“光剑”并非上文所指的“光分子”，而是可以广泛应用于众多工业领域的基础热源——层流电弧等离子束。这种等离子束可以产生稳定、可控的热源，温度可在15000摄氏度至200摄氏度间调节。与传统的湍流电弧等离子体不同，层流电弧等离子束能在大气压下射流长达1米，是一种稳定的优质超高温长束热源。

    研制者表示，长约1米左右的等离子束，从发射器端口开始，温度在几万摄氏度至几百摄氏度不等。但即便是将手指放在距离光束机几厘米的位置，也不会感觉到任何温度。“这很重要，说明我们能将这个基础热源做成可控制的，热量是集中分布的。”

    这种等离子束可以作为3D打印的基础热源。目前3D打印采用的热源为激光，与其相比，层流电弧等离子束功率更好，电使用率可以达到95%。由于3D打印的第一步就是要将材料融化，不同材料对温度要求不同，而该等离子束温度可控并稳定，且造价比激光束要低，可说是目前全球能用于3D打印的最佳热源。

    然而要想成为真正的“光剑”，距离还有点远。如何处理等离子体的超高温度？如何获得庞大能量？如何控制体积？如何使光分子在空气介质中存在……这些问题依靠现在的科学技术还无法解决。尽管许多“科学解释”或者“科学依据”还停留在讨论理论可行性的阶段，但科学，不就是这样不断发展的吗？或许，“光剑”终有一天，会实现。