揭秘五大超級科學(xué)機(jī)器

揭秘五大超級科學(xué)機(jī)器

不要總是把大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)掛在嘴上，關(guān)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(jī)器，其重要性一點都不比大型強(qiáng)子對撞機(jī)遜色。這些超級機(jī)器，有的在跟蹤火星機(jī)器人，有的在模擬颶風(fēng)，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(fù)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(qiáng)子對撞機(jī)，的確，它是一個具有標(biāo)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(xué)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(jìn)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(xué)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(xué)和強(qiáng)、弱核力(自然界的三種基本力)之間的關(guān)系。有人甚至擔(dān)心，這個加速器可能會制造一個能吞噬地球的黑洞，當(dāng)然，科學(xué)家認(rèn)為這樣的擔(dān)心是多余的。大型強(qiáng)子對撞機(jī)還因其獨特的外觀而備受關(guān)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(gòu)成的加速器的照片，就會讓人聯(lián)想到毀滅性武器。
       但是，當(dāng)今科學(xué)界為更多開創(chuàng)性的巨型機(jī)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(shè)備正在著手解決各種自然之謎。這些用于研究的機(jī)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(yīng)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(biāo)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(yuǎn)鏡。但是如果發(fā)現(xiàn)銀河系中有超新星爆發(fā)，物理學(xué)家應(yīng)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(shè)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(lán)色可見光射線，當(dāng)粒子的速度超過光速時，就會產(chǎn)生這種射線。與光學(xué)音爆相比，切倫科夫光在核反應(yīng)堆內(nèi)非常常見。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(yù)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(xué)家來說，這是一個研究金礦。如果科學(xué)家知道有超新星現(xiàn)象即將發(fā)生，他們將準(zhǔn)備好適當(dāng)設(shè)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�？茖W(xué)家表示，下一顆超新星可能離我們很遙遠(yuǎn)，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(jì)錄一樣，佛羅里達(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)100萬倍!比核磁共振成像儀產(chǎn)生的磁場強(qiáng)20倍。
       45-T混合磁體由一個11.5特斯拉的超導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)磁場內(nèi)的分子行為有所不同，在這種情況下更容易進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)材料(電阻是零)所能提供的所有好處。沒有人能擔(dān)保45-T真能發(fā)揮這樣的作用，但它是世界上最強(qiáng)大、最有用的磁鐵，這一點毫無疑問。

3.颶風(fēng)模擬器

颶風(fēng)模擬器

       佛羅里達(dá)大學(xué)的颶風(fēng)模擬器的設(shè)計動機(jī)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(fēng)扇能產(chǎn)生時速130英里(209.21公里)的風(fēng)--相當(dāng)于3級颶風(fēng)，它形成的高壓水柱能模擬每小時35英寸的降雨。
       颶風(fēng)模擬器利用5000加侖的水箱冷卻4個船用柴油發(fā)動機(jī)，這些發(fā)動機(jī)擁有2800個馬力。這些風(fēng)扇其實產(chǎn)生的是時速為100英里(160.93公里)的風(fēng)，它們產(chǎn)生的風(fēng)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(fēng)引起的陣風(fēng)對建筑物造成的影響。

4. 綠岸射電望遠(yuǎn)鏡

綠岸射電望遠(yuǎn)鏡

        綠岸射電望遠(yuǎn)鏡是世界上最大的全動射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡還是世界上最大的可移動射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的支撐結(jié)構(gòu)讓它的反射鏡變得模糊不清，望遠(yuǎn)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(xué)家能利用綠岸射電望遠(yuǎn)鏡獲得大約5度仰角的天空全視圖。該設(shè)備在接收無線電信號時靈敏度還相當(dāng)高。綠岸射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡在研究遙遠(yuǎn)的脈沖星方面已經(jīng)取得巨大進(jìn)步。它的最新任務(wù)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(jì)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(shù)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(yuǎn)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(xué)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(gòu)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(shù)(riser technology)的科研船只。在提升技術(shù)中，鉆桿被充滿液體的保護(hù)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(jìn)器，該裝置能對全球定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作出反應(yīng)，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(wù)暫告一段落，但是該船將在2012年按時完成實驗。