神通激光

第二節 給科學長上翅膀

　　激光在物理學、化學、生物學、地球物理學、天文學、空間科學和宇宙學等基礎學科上的應用，使這些學科如虎添翼，更迅猛地向前發展。激光能夠產生超高溫、超高壓、超高速、超高場強、超高單色性等一些極端物理條件，作為一種強有力的技術手段，使人們可以對一些重大的目前已有的理論和尚未完全解決的問題，進行新的實驗和驗證，從而不斷取得新發現、新突破、新進展、新成就。

　　在物理學上，科學家們利用激光驗證偉大科學家愛因斯坦早在1905年提出的“狹義相對論”。

　　愛因斯坦的“狹義相對論”認為：光速是一切物質運動速度的極限值，沒有任何物質運動的速度可以超過光速。這一假說是建築在邁克耳遜—莫雷所進行的否定“以太”存在的實驗的基礎上的。

　　前麵介紹過：1678年，荷蘭物理學家惠更斯提出“以太”理論，以為光是在充滿整個空間的特殊媒質“以太”中傳播的彈性波動。我們生活的空間裏真的有什麽“以太”嗎？1887年，邁克耳遜和莫雷為檢驗“以太”進行了幹涉實驗，結果完全否定了“以太”的存在。激光出現以後，人們利用激光再次進行了邁克耳遜—莫雷實驗，精度提高了1000倍。科學家們認為：假定有“以太”存在，那麽氣體激光的工作頻率在“諧振腔”中應隨著光相對於“以太”流的傳播方向不同而改變，這種在“諧振腔”中的光速的變化（或波長的變化）可通過激光頻率的變化來觀測。科學家們實驗觀測的結果是：盡管使激光器相對於假想“以太”流的各種方向輻射，激光的工作頻率始終不變。這就是說，“以太”根本不存在。在這個實驗中，科學家們采用0.03毫米/秒的精度證實光的速度是恒定不變的，這樣，利用激光再一次驗證了愛因斯坦的相對性理論。

　　狹義相對論的正確性，似乎已經確定無疑。然而，光在真空中的傳播速度（約為每秒30萬公裏），真的就是物質運動的最高速度、能量傳播的極限速度了嗎？近40年來，對於這個“光速極限”問題，還是不斷有人提出異議來。1962年，物理學家比蘭紐克等人提出了超光速的第三類粒子的新概念。1967年，美國物理學家範伯格進一步闡述了超光速粒子的概念，並把這種粒子命名為“快子”。他認為，這種快子，在光速情況下具有無限大的能量和動量，當它失去能量時，速度就增加，直到能量降到零，速度則升到無限大。

　　奇異的超光速的快子在哪裏呢？多年來，一些物理學家進行了實驗探索，他們尋找快子的一種途徑，是利用快子能夠放射出契倫柯夫輻射。契倫柯夫輻射是一種電磁輻射。1934年，前蘇聯物理學家契倫柯夫發現：在一種透明媒質中運動速度比光快的粒子會拖出一種藍色的光尾來，其尾跡的角度大小取決於這種粒子在該媒質中的運動速度比光在同一媒質中的傳播速度大多少。這種超光速運動的粒子所發射出來的藍色光輻射，就被稱為“契倫柯夫輻射”。一些物理學家認為，在真空中，以超光速而運動的快子，也會發出光尾來。隻要能探測出契倫柯夫輻射，就能夠找到和證實快子的存在。為了探測快子，物理學家還研製了一種特殊的契倫柯夫探測器，用來探測契倫柯夫輻射，測定它的強度和方向，從而計算出粒子的速度。

　　物理學家們甚至還描繪了快子運動的宇宙環境，它是不同於我們這個宇宙的另一種宇宙。

　　在我們這個宇宙裏，一個物體運動速度在任何條件下都不可能超過光速。一個物體如果不運動，它的能量等於零；當它得到能量的時候，運動速度將會越來越快；而它得到的能量為無限大時，運動就被加快到光速。這個宇宙叫做“慢宇宙”。

　　在另一種宇宙裏，一種粒子運動速度在任何情況下都是超光速的。這種粒子就是快子，它以無限大速度運動時，所具有的能量為零；而它得到能量時運動就會減慢，得到的能量越大，運動速度就越低，當它得到無限大的能量之後，運動速度就會降低到光速。這個宇宙叫做“快宇宙”。

　　科學家認為，可能存在著一種並不違反愛因斯坦理論的快子，這種快子構成了一個不同於我們這個宇宙的“快宇宙”。

　　超光速粒子或快子是否存在？光速是否可以被逾越？這個問題，正期等著人們去探索。

　　激光技術為科學家們研究超光速運動問題和光子靜止質量問題，提供了一種新的技術手段，使人們有可能進行對狹義相對論的更深入的探討，以至利用激光技術創造必要的條件，有可能進行有關廣義相對論的重大原理性實驗。

　　在化學上，科學家們利用激光有可能激活化學過程，加速化學過程，使化學反應往某個預定方向進行。

　　我們知道，化合物是由分子組成的。分子又是由原子組成的。分子中的原子都處於振動狀態，在強光照射下，原子的振動幅度就會加大。由於普通光源發出的光包含有多種波長、不同頻率的光，因而對各種頻率的振動都起作用這樣，在普通光的照射下，多個原子的振動振幅都被增大。當十分強烈的普通光照射到分子上時，有幾個原子的結合可能就被切斷，分子就產生了分解。不過，這種情況並沒有多大用途。如果能夠按照人們的預期目的去切斷某個原子的結合，就可以改變分子的結構，製造出人們預定計劃中的分子，那意義可就大了。

　　我們自然會想到，激光是一種光強度大、頻率單純的“利刃”，或許能幫助人們切斷某個預定的原子的結合吧？不錯，是要靠激光。可是，要實現上述的設想也有其特殊的困難：切斷原子結合的必要的激光頻率，隻有利用以同種原子作為工作物質的激光才能獲得，這卻是不一定能做到的。因此，必須進一步研究獲得必要的頻率的方法。

　　如果將一種與化合物中分子振動頻率相同的強力激光照射到分子上去，激光的頻率正好與分子的結合能相對應，激光的強度又足夠大，激光光線隻作用於某個預定的分子結合，那麽，這個既定的結合就會被切斷，而其他的分子結合不受影響。這樣，化學結合被有選擇地切斷，化學反應就有可能朝著預定的方向進行。或者，為了得到預定的化學反應，改變所使用的激光的頻率，也可以同時使用幾個不同頻率的激光，從而獲得新的化合物。

　　實驗表明，激光在常溫、常壓和不采用催化劑的條件下，具有誘發化學反應和增強化學反應的效果。激光分離同位素是激光在化學領域中應用的突出例子。同位素在生產、科研中用處很大，但在自然界裏，同位素是以同位素混合物的形式存在的。例如，天然鈾主要含有鈾235和鈾238兩種同位素。要把鈾235和鈾238分離開來，采用通常的方法，成本十分高昂；利用激光分離同位素方法，分離係數高，成本低得多。鈾235是原子能發電燃料和原子彈製造填料，但鈾235在天然鈾中隻占0.7%，要用作發電燃料需要濃縮到3%，用作原子彈填料需要濃縮到90%以上。采用通常的擴散法進行濃縮，需要上千級擴散裝置，設備龐大，耗電很多。利用激光濃縮法，一次把鈾濃縮度提高60%，使分離工廠規模和占地都大大減少。