揭秘五大超級科學(xué)機器

不要總是把大型強子對撞機(LHC)掛在嘴上，關(guān)于這個(gè)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(gè)研究機器，其重要性一點(diǎn)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(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(guān)，還肩負著(zhù)揭開(kāi)世界上最大的未解之謎的重任。
       事實(shí)上，你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)大型強子對撞機，的確，它是一個(gè)具有標志性的科研成就，深埋在瑞士和法國數百英尺的地下，是一個(gè)令公眾發(fā)狂的為數不多的科學(xué)項目。今年夏天，大型粒子將在17英里(27.36公里)長(cháng)的環(huán)形隧道里對撞。如果一切能按計劃進(jìn)行，這個(gè)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，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，到大統一理論框架，任何一個(gè)重要發(fā)現都足以震驚世界，因為它將揭示電磁學(xué)和強、弱核力(自然界的三種基本力)之間的關(guān)系。有人甚至擔心，這個(gè)加速器可能會(huì )制造一個(gè)能吞噬地球的黑洞，當然，科學(xué)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(guān)而備受關(guān)注，隨便拍一張這個(gè)由十幾英里長(cháng)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(huì )讓人聯(lián)想到毀滅性武器。
       但是，當今科學(xué)界為更多開(kāi)創(chuàng )性的巨型機器留出了足夠大的發(fā)展空間。從用來(lái)探測位于地下數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(zhù)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(méi)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(yáng)、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)現銀河系中有超新星爆發(fā)，物理學(xué)家應該感謝這個(gè)探測器。超級神岡探測器埋在日本中部地區3000英尺的地下，內部填充了5萬(wàn)加侖純凈水，它的設計目的是發(fā)現不同類(lèi)型的中微子。它只分析切倫科夫光，這種光是一種藍色可見(jiàn)光射線(xiàn)，當粒子的速度超過(guò)光速時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生這種射線(xiàn)。與光學(xué)音爆相比，切倫科夫光在核反應堆內非常常見(jiàn)。當帶電粒子經(jīng)過(guò)某種介質(zhì)，比如水，就會(huì )產(chǎn)生切倫科夫光，在這個(gè)過(guò)程中光的傳播速度實(shí)際上會(huì )變慢。
        超級神岡探測器由一個(gè)135英尺高的不銹鋼圓柱體和一個(gè)較小的內部結構組成，利用數千個(gè)感光元件發(fā)現在切倫科夫射線(xiàn)中起作用的中微子。研究員一直在利用這個(gè)望遠鏡證實(shí)太陽(yáng)產(chǎn)生中微子。超級神岡探測器還是第一批用來(lái)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(SNEWS)中扮演著(zhù)重要角色。
       銀河系比超新星出現的時(shí)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(lái)說(shuō)，這是一個(gè)研究金礦。如果科學(xué)家知道有超新星現象即將發(fā)生，他們將準備好適當設備，收集即將出現的數據。因為中微子爆發(fā)時(shí)，超新星更容易觀(guān)測到，所以超級神岡探測器在一刻還停地觀(guān)測比光速還快的突然而且可疑的粒子流入。順便說(shuō)一句，超新星發(fā)出的致命的伽馬射線(xiàn)，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，因此不會(huì )對人類(lèi)造成傷害。盡管超級神岡探測器存在的意義就在于，它可以為我們人類(lèi)爭取數小時(shí)逃往銀河系其他地方的時(shí)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(chǎng)實(shí)驗室的45-T混合磁體有點(diǎn)令人昏眩：它是世界上最大、最強的磁體，能產(chǎn)生持續穩定的磁場(chǎng)。雖然世界上已經(jīng)有較強的脈沖磁鐵，但是這個(gè)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(chǎng)。這意味著(zhù)它比地球磁場(chǎng)大約強100萬(wàn)倍!比核磁共振成像儀產(chǎn)生的磁場(chǎng)強20倍。
       45-T混合磁體由一個(gè)11.5特斯拉的超導磁鐵和一個(gè)33.5特斯拉的電阻磁鐵組成。為了產(chǎn)生這種強磁場(chǎng)，45-T混合磁體周?chē)�被充滿(mǎn)純凈水和液態(tài)氦的管子包圍著(zhù)，確保它能在1.8開(kāi)氏度(或零下456華氏度)的溫度下運轉。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(chǎng)內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(shí)會(huì )呈現不同的基本特征。高磁場(chǎng)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)氦或氮系統的情況下，提供超導材料(電阻是零)所能提供的所有好處。沒(méi)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(diǎn)毫無(wú)疑問(wèn)。

3.颶風(fēng)模擬器

颶風(fēng)模擬器

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

4. 綠岸射電望遠鏡

綠岸射電望遠鏡

        綠岸射電望遠鏡是世界上最大的全動(dòng)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(dòng)射電望遠鏡。反射盤(pán)的規格為100米x 110米，這一尺寸在世界上獨一無(wú)二的，這種不對稱(chēng)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(guò)每個(gè)反射板上的調節器調整反射盤(pán)和反射鏡的形狀，科學(xué)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(wú)線(xiàn)電信號時(shí)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(gè)禁止使用無(wú)線(xiàn)電的聯(lián)邦托管區。這臺望遠鏡在研究遙遠的脈沖星方面已經(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(zhù)陸器，這顆著(zhù)陸器剛剛在火星上著(zhù)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(lái)鉆探地幔深度最深的船只。從技術(shù)上說(shuō)，俄羅斯有個(gè)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�！暗厍颉碧柺菍�(zhuān)門(mén)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(guò)它能對地幔有更多了解，弄明白為什么通常平穩運動(dòng)的構造板塊會(huì )突然鎖定，引發(fā)地震和海嘯。
    “地球”號是第一個(gè)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(mǎn)液體的保護性外套包圍，穩定鉆孔內的壓力。這艘船還裝備了電腦控制、可旋轉360度的推進(jìn)器，該裝置能對全球定位系統的數據作出反應，讓“地球”號在鉆孔時(shí)保持船體穩定，因為假如這只船漂離原地超過(guò)幾碼，鉆桿就會(huì )折斷。曾經(jīng)發(fā)生的一次類(lèi)似事故，迫使這個(gè)探險隊的研究任務(wù)暫告一段落，但是該船將在2012年按時(shí)完成實(shí)驗。