揭秘世界五大超级科学机器

Laomei 2008年5月19日 11:16 浏览:5,733

据国外媒体报道,不要总是把大型强子对撞机(LHC)挂在嘴上,关于这个庞然大物的报道已经够多了,但除它之外,世界上还有几个研究机器,其重要性一点都不比大型强子对撞机逊色。这些超级机器,有的在跟踪火星机器人,有的在模拟飓风,有的则在揭示超新星诞生之谜,他们不仅具有“冷酷到底”的外观,还肩负着揭开世界上最大的未解之谜的重任。

事实上,你可能听说过大型强子对撞机,的确,它是一个具有标志性的科研成就,深埋在瑞士和法国数百英尺的地下,是一个令公众发狂的为数不多的科学项目。今年夏天,大型粒子将在17英里(27.36公里)长的环形隧道里对撞。如果一切能按计划进行,这个加速器能提供一些最大、最令人难以捉摸的宇宙之谜的证据,范围从物理学家一直在寻找的令人困惑的暗物质质量,到大统一理论框架,任何一个重要发现都足以震惊世界,因为它将揭示电磁学和强、弱核力(自然界的三种基本力)之间的关系。有人甚至担心,这个加速器可能会制造一个能吞噬地球的黑洞,当然,科学家认为这样的担心是多余的。

大型强子对撞机还因其独特的外观而备受关注,随便拍一张这个由十几英里长的电缆、隧道和大量笨重的粒子探测器构成的加速器的照片,就会让人联想到毁灭性武器。 但是,当今科学界为更多开创性的巨型机器留出了足够大的发展空间。从用来探测位于地下数英里处的岩浆的船只,到用于勘测银河超新星第一迹象的微中子探测器,这些位于世界各地的巨大设备正在着手解决各种自然之谜。这些用于研究的机器目前并不是“明星”,没有多少人真正了解他们,但从重要性上看,它们应该得到“明星”待遇。

1. 超级神冈探测器

揭秘世界五大超级科学机器
图片:超级神冈探测器

超级神冈探测器(Super-K)是日本建造的大型中微子探测器,最初目标是探测质子衰变,也能够探测太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。它不是世界上最大,也不是最灵敏的微中子天文望远镜。但是如果发现银河系中有超新星爆发,物理学家应该感谢这个探测器。超级神冈探测器埋在日本中部地区3000英尺的地下,内部填充了5万加仑纯净水,它的设计目的是发现不同类型的中微子。它只分析切伦科夫光,这种光是一种蓝色可见光射线,在核反应堆内非常常见。当带电粒子经过某种介质,比如水,就会产生切伦科夫光。 超级神冈探测器由一个135英尺高的不锈钢圆柱体和一个较小的内部结构组成,利用数千个感光元件发现在切伦科夫射线中起作用的中微子。研究员一直在利用这个望远镜证实太阳产生中微子。超级神冈探测器还是第一批用来反击中微子拥有非零质量理论的探测器。但是该探测器最有影响力的功能和它最重要的潜能是,它在超新星早期预警系统(SNEWS)中扮演着重要角色。 银河系比超新星出现的时间要早(最新一颗超新星爆发是在400多年),对物理学家来说,这是一个研究金矿。如果科学家知道有超新星现象即将发生,他们将准备好适当设备,收集即将出现的数据。因为中微子爆发时,超新星更容易观测到,所以超级神冈探测器在一刻还停地观测比光速还快的突然而且可疑的粒子流入。顺便说一句,超新星发出的致命的伽马射线,可杀死地球上的所有生命。科学家表示,下一颗超新星可能离我们很遥远,因此不会对人类造成伤害。尽管超级神冈探测器存在的意义就在于,它可以为我们人类争取数小时逃往银河系其他地方的时间。

2. 45-T混合磁体(45-T hybrid magnet)

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图片:45T混合磁体

和其他世界纪录一样,佛罗里达州国家高磁场实验室的45-T混合磁体有点令人昏眩:它是世界上最大、最强的磁体,能产生持续稳定的磁场。虽然世界上已经有较强的脉冲磁铁,但是这个高22英尺、重35吨的模型却是威力最强的,它能产生45特斯拉的磁场。这意味着它比地球磁场大约强100万倍!比核磁共振成像仪产生的磁场强20倍。 45-T混合磁体由一个11.5特斯拉的超导磁铁和一个33.5特斯拉的电阻磁铁组成。为了产生这种强磁场,45-T混合磁体周围被充满纯净水和液态氦的管子包围着,确保它能在1.8开氏度(或零下456华氏度)的温度下运转。但这些仍不能解释为什么研究人员那么需要这种高能磁铁。 这种高能磁铁存在的意义在哪里?强磁场内的分子行为有所不同,在这种情况下更容易进行分析,或者在这种情况下它们有时会呈现不同的基本特征。高磁场研究的重要一环是室温超导电性,它能在不需要昂贵的液态氦或氮系统的情况下,提供超导材料(电阻是零)所能提供的所有好处。没有人能担保45-T真能发挥这样的作用,但它是世界上最强大、最有用的磁铁,这一点毫无疑问。

3.飓风模拟器

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图片:飓风模拟器

佛罗里达大学的飓风模拟器的设计动机无疑是很好的,但是它也可能会造成一些“恶果”。它的8个高5英尺(约1.5米)的风扇能产生时速130英里(209.21公里)的风——相当于3级飓风,它形成的高压水柱能模拟每小时35英寸的降雨。 飓风模拟器利用5000加仑的水箱冷却4个船用柴油发动机,这些发动机拥有2800个马力。这些风扇其实产生的是时速为100英里(160.93公里)的风,它们产生的风穿过一个能压缩气流的输送管后速度就会增加。这个模拟器曾被用来试验骤雨和飓风引起的阵风对建筑物造成的影响。

4. 绿岸射电望远镜

五大超级科学机器
图片:绿岸射电望远镜

绿岸射电望远镜是世界上最大的全动射电望远镜,高约485英尺(147.83 米),重约7700吨。更重要的是,绿岸射电望远镜还是世界上最大的可移动射电望远镜。反射盘的规格为100米x 110米,这一尺寸在世界上独一无二的,这种不对称的形状能防止绿岸射电望远镜的支撑结构让它的反射镜变得模糊不清,望远镜的反射面由2000多块铝面反射板组成。 通过每个反射板上的调节器调整反射盘和反射镜的形状,科学家能利用绿岸射电望远镜获得大约5度仰角的天空全视图。该设备在接收无线电信号时灵敏度还相当高。绿岸射电望远镜是以西弗吉尼亚绿岸的名字命名,该地是一个禁止使用无线电的联邦托管区。这台望远镜在研究遥远的脉冲星方面已经取得巨大进步。它的最新任务是追踪美国宇航局的“凤凰”号火星着陆器,这颗着陆器刚刚在火星上着陆。

5. “地球”号钻探船

世界五大超级科学机器
图片:地球号

日本“地球”号钻探船一连打破了两项世界纪录:它不仅是世界上最大的科研钻探船,还是有史以来钻探地幔深度最深的船只。从技术上说,俄罗斯有个项目已经向地下钻了12公里深的洞,但“地球”号高400英尺的钻探架将在远离日本海岸的一处容易发生地震的俯冲带向下钻7公里,这里的地壳相对较薄。“地球”号是专门为一支有多年经验的科研探险队建造的,科学家希望通过它能对地幔有更多了解,弄明白为什么通常平稳运动的构造板块会突然锁定,引发地震和海啸。 “地球”号是第一个利用石油工业的提升技术(riser technology)的科研船只。在提升技术中,钻杆被充满液体的保护性外套包围,稳定钻孔内的压力。这艘船还装备了电脑控制、可旋转360度的推进器,该装置能对全球定位系统的数据作出反应,让“地球”号在钻孔时保持船体稳定,因为假如这只船漂离原地超过几码,钻杆就会折断。曾经发生的一次类似事故,迫使这个探险队的研究任务暂告一段落,但是该船将在2012年按时完成实验。

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