揭秘五大超級科學機器

揭秘五大超級科學機器

不要總是把大型強子對撞機(LHC)掛在嘴上，關于這個龐然大物的報道已經(jīng)夠多了，但除它之外，世界上還有幾個研究機器，其重要性一點都不比大型強子對撞機遜色。這些超級機器，有的在跟蹤火星機器人，有的在模擬颶風，有的則在揭示超新星誕生之謎，他們不僅具有“冷酷到底”的外觀，還肩負著揭開世界上最大的未解之謎的重任。
       事實上，你可能聽說過大型強子對撞機，的確，它是一個具有標志性的科研成就，深埋在瑞士和法國數(shù)百英尺的地下，是一個令公眾發(fā)狂的為數(shù)不多的科學項目。今年夏天，大型粒子將在17英里(27.36公里)長的環(huán)形隧道里對撞。如果一切能按計劃進行，這個加速器能提供一些最大、最令人難以捉摸的宇宙之謎的證據(jù)，范圍從物理學家一直在尋找的令人困惑的暗物質(zhì)質(zhì)量，到大統(tǒng)一理論框架，任何一個重要發(fā)現(xiàn)都足以震驚世界，因為它將揭示電磁學和強、弱核力(自然界的三種基本力)之間的關系。有人甚至擔心，這個加速器可能會制造一個能吞噬地球的黑洞，當然，科學家認為這樣的擔心是多余的。大型強子對撞機還因其獨特的外觀而備受關注，隨便拍一張這個由十幾英里長的電纜、隧道和大量笨重的粒子探測器構成的加速器的照片，就會讓人聯(lián)想到毀滅性武器。
       但是，當今科學界為更多開創(chuàng)性的巨型機器留出了足夠大的發(fā)展空間。從用來探測位于地下數(shù)英里處的巖漿的船只，到用于勘測銀河超新星第一跡象的微中子探測器，這些位于世界各地的巨大設備正在著手解決各種自然之謎。這些用于研究的機器目前并不是“明星”，沒有多少人真正了解他們，但從重要性上看，它們應該得到“明星”待遇。

1. 超級神岡探測器

超級神岡探測器

        超級神岡探測器(Super-K)是日本建造的大型中微子探測器，最初目標是探測質(zhì)子衰變，也能夠探測太陽、地球大氣和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的中微子。它不是世界上最大，也不是最靈敏的微中子天文望遠鏡。但是如果發(fā)現(xiàn)銀河系中有超新星爆發(fā)，物理學家應該感謝這個探測器。超級神岡探測器埋在日本中部地區(qū)3000英尺的地下，內(nèi)部填充了5萬加侖純凈水，它的設計目的是發(fā)現(xiàn)不同類型的中微子。它只分析切倫科夫光，這種光是一種藍色可見光射線，當粒子的速度超過光速時，就會產(chǎn)生這種射線。與光學音爆相比，切倫科夫光在核反應堆內(nèi)非常常見。當帶電粒子經(jīng)過某種介質(zhì)，比如水，就會產(chǎn)生切倫科夫光，在這個過程中光的傳播速度實際上會變慢。
        超級神岡探測器由一個135英尺高的不銹鋼圓柱體和一個較小的內(nèi)部結構組成，利用數(shù)千個感光元件發(fā)現(xiàn)在切倫科夫射線中起作用的中微子。研究員一直在利用這個望遠鏡證實太陽產(chǎn)生中微子。超級神岡探測器還是第一批用來反擊中微子擁有非零質(zhì)量理論的探測器。但是該探測器最有影響力的功能和它最重要的潛能是，它在超新星早期預警系統(tǒng)(SNEWS)中扮演著重要角色。
       銀河系比超新星出現(xiàn)的時間要早(最新一顆超新星爆發(fā)是在400多年)，對物理學家來說，這是一個研究金礦。如果科學家知道有超新星現(xiàn)象即將發(fā)生，他們將準備好適當設備，收集即將出現(xiàn)的數(shù)據(jù)。因為中微子爆發(fā)時，超新星更容易觀測到，所以超級神岡探測器在一刻還停地觀測比光速還快的突然而且可疑的粒子流入。順便說一句，超新星發(fā)出的致命的伽馬射線，可殺死地球上的所有生命。科學家表示，下一顆超新星可能離我們很遙遠，因此不會對人類造成傷害。盡管超級神岡探測器存在的意義就在于，它可以為我們?nèi)祟悹幦��?shù)小時逃往銀河系其他地方的時間。

2. 45-T混合磁體(45-T hybrid magnet)

45T混合磁體

        和其他世界紀錄一樣，佛羅里達州國家高磁場實驗室的45-T混合磁體有點令人昏眩：它是世界上最大、最強的磁體，能產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的磁場。雖然世界上已經(jīng)有較強的脈沖磁鐵，但是這個高22英尺、重35噸的模型卻是威力最強的，它能產(chǎn)生45特斯拉的磁場。這意味著它比地球磁場大約強100萬倍!比核磁共振成像儀產(chǎn)生的磁場強20倍。
       45-T混合磁體由一個11.5特斯拉的超導磁鐵和一個33.5特斯拉的電阻磁鐵組成。為了產(chǎn)生這種強磁場，45-T混合磁體周圍被充滿純凈水和液態(tài)氦的管子包圍著，確保它能在1.8開氏度(或零下456華氏度)的溫度下運轉(zhuǎn)。但這些仍不能解釋為什么研究人員那么需要這種高能磁鐵。
        這種高能磁鐵存在的意義在哪里?強磁場內(nèi)的分子行為有所不同，在這種情況下更容易進行分析，或者在這種情況下它們有時會呈現(xiàn)不同的基本特征。高磁場研究的重要一環(huán)是室溫超導電性，它能在不需要昂貴的液態(tài)氦或氮系統(tǒng)的情況下，提供超導材料(電阻是零)所能提供的所有好處。沒有人能擔保45-T真能發(fā)揮這樣的作用，但它是世界上最強大、最有用的磁鐵，這一點毫無疑問。

3.颶風模擬器

颶風模擬器

       佛羅里達大學的颶風模擬器的設計動機無疑是很好的，但是它也可能會造成一些“惡果”。它的8個高5英尺(約1.5米)的風扇能產(chǎn)生時速130英里(209.21公里)的風--相當于3級颶風，它形成的高壓水柱能模擬每小時35英寸的降雨。
       颶風模擬器利用5000加侖的水箱冷卻4個船用柴油發(fā)動機，這些發(fā)動機擁有2800個馬力。這些風扇其實產(chǎn)生的是時速為100英里(160.93公里)的風，它們產(chǎn)生的風穿過一個能壓縮氣流的輸送管后速度就會增加。這個模擬器曾被用來試驗驟雨和颶風引起的陣風對建筑物造成的影響。

4. 綠岸射電望遠鏡

綠岸射電望遠鏡

        綠岸射電望遠鏡是世界上最大的全動射電望遠鏡，高約485英尺(147.83 米)，重1700磅(771.11公斤)。更重要的是，綠岸射電望遠鏡還是世界上最大的可移動射電望遠鏡。反射盤的規(guī)格為100米x 110米，這一尺寸在世界上獨一無二的，這種不對稱的形狀能防止綠岸射電望遠鏡的支撐結構讓它的反射鏡變得模糊不清，望遠鏡的反射面由2000多塊鋁面反射板組成。
       通過每個反射板上的調(diào)節(jié)器調(diào)整反射盤和反射鏡的形狀，科學家能利用綠岸射電望遠鏡獲得大約5度仰角的天空全視圖。該設備在接收無線電信號時靈敏度還相當高。綠岸射電望遠鏡是以西弗吉尼亞綠岸的名字命名，該地是一個禁止使用無線電的聯(lián)邦托管區(qū)。這臺望遠鏡在研究遙遠的脈沖星方面已經(jīng)取得巨大進步。它的最新任務是追蹤美國宇航局的“鳳凰”號火星著陸器，這顆著陸器剛剛在火星上著陸。

5. “地球”號鉆探船

地球號

       日本“地球”號鉆探船一連打破了兩項世界紀錄：它不僅是世界上最大的科研鉆探船，還是有史以來鉆探地幔深度最深的船只。從技術上說，俄羅斯有個項目已經(jīng)向地下鉆了12公里深的洞，但“地球”號高400英尺的鉆探架將在遠離日本海岸的一處容易發(fā)生地震的俯沖帶向下鉆7公里，這里的地殼相對較薄。“地球”號是專門為一支有多年經(jīng)驗的科研探險隊建造的，科學家希望通過它能對地幔有更多了解，弄明白為什么通常平穩(wěn)運動的構造板塊會突然鎖定，引發(fā)地震和海嘯。
    “地球”號是第一個利用石油工業(yè)的提升技術(riser technology)的科研船只。在提升技術中，鉆桿被充滿液體的保護性外套包圍，穩(wěn)定鉆孔內(nèi)的壓力。這艘船還裝備了電腦控制、可旋轉(zhuǎn)360度的推進器，該裝置能對全球定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作出反應，讓“地球”號在鉆孔時保持船體穩(wěn)定，因為假如這只船漂離原地超過幾碼，鉆桿就會折斷。曾經(jīng)發(fā)生的一次類似事故，迫使這個探險隊的研究任務暫告一段落，但是該船將在2012年按時完成實驗。