無形而又刀槍不入的“墻”

石無魚

你一定去過海洋館吧。當你步入水下世界，看到一條鯊魚齜牙咧嘴地向你游來，我想你是不會驚慌的。因為你知道有一道厚厚的玻璃墻在保護著你。而從鯊魚的角度來說，它倒是挺納悶的：明明“獵物”近在咫尺，可是一伸嘴，卻被一個無形的東西擋了回來。在它一生中，想必從未遇到過這樣奇怪的事情。

你還可能看過某些武俠小說或電影。一個武功高強的人，一發功，在自己周圍建立起一個無形的防護盾。敵人的刀槍劈刺過來，卻在空中莫名其妙地折了、斷了。誰都羨慕有這樣的武功！

或者，你還可能看過《星球大戰》之類的科幻電影。在太空中，戰爭的一方為自己人建立了一個無形的保護屏障。敵人的炮彈射過來，一觸到這個屏障，瞬間就汽化了;激光束射過來，一遇到屏障，就反射了回去。

《星球大戰》中的力場

這些無形而又能起到保護作用的東西，科幻小說里有一個名稱叫“力場”（注意，不要跟物理學上傳遞作用力的力場混淆）或者“能量墻”。

有了力場，在很多場合，它就可以取代磚和混凝土等日常建筑材料。有了它，我們不僅能保護自己免于敵人的任何傷害，而且還可以在險惡的環境中（譬如炎熱的荒漠、高壓的海底或者不友好的外星球），建立人類自己的“世外桃源”：任外面“風吹雨打”，“兵荒馬亂”，我自“風花雪月”，“歌舞升平”。

好得如此不可思議的技術，似乎是天方夜譚，但在過去的幾十年里，天才的工程師和科學家們已經制造出了這些未來技術的雛形。

用什么來建造力場？

用什么來建造力場呢？上面提到的力場是一種無形的東西。在理想的情況下，當然最好是一堵非物質的墻。自然界中什么是能對物質起作用的非物質的東西呢？我們首先想到的是物理學上傳遞作用的力場。像引力場、電場這樣的力場，雖然看不見、摸不著，卻是一種非物質的客觀存在，能對有形的物質起作用。

我們的能量墻需要在幾厘米或幾米的范圍內起作用。但是，很遺憾，宇宙中的四種基本作用力——引力、電磁力、強核力和弱核力——似乎都無法構建這樣的能量墻。引力場太弱，而且只在恒星和行星這樣的尺度上起作用;電磁場很容易被敵人設置的電磁場抵消;核力很難被操縱，且只在原子的尺度上起作用。

因此，讓我們轉而求其次，看看能不能由物質來構建力場（這就是這里所說的“力場”跟物理學上說的“力場”不是一回事的理由）。物質要透明，這樣才能顯得無形。固態的玻璃、液態的水和氣態的空氣，當然都是透明的，但都不符合我們的技術要求。我們不得不轉向物質的第五種狀態——等離子體。

雖然我們對等離子體不太熟悉，但它卻是整個宇宙中物質最常見的狀態。宇宙中超過99%的物質是等離子體。在等離子體中，由于高溫，電子已從其原子中剝離，帶正電荷的原子核和帶負電荷的自由電子混在一起，像一鍋“湯”一樣。存在能自由移動的電荷，這意味著它有很強的導電性，能夠受到電場和磁場的強烈影響——因此容易受電場和磁場的操控，而且等離子體的密度遠遠大于氣體。這些特性賦予它很多奇怪的本領（下面就會講到），使它成為建造力場的完美材料。

利用高壓靜電電離氖氣和氬氣分子產生的等離子體球

至于如何獲得等離子體，倒是很簡單。我們可以通過用高壓電把氣體加熱到高溫來獲得。譬如，如果加熱像氬氣這樣的氣體，所產生的等離子體將發出迷人的藍色輝光。用這種等離子體制作的等離子體墻，就可以實現我們的目標。

我們目前有三種等離子體墻，有的處于早期研發階段，有的已經有了初步應用。下面我們就給大家介紹這三種等離子墻。

沖擊波防護墻

第一種類型的等離子墻，是用于保護軍用車輛免受沖擊波影響的。

我們知道，在戰爭中能量大的爆炸（如導彈），不僅四射的彈片可以直接傷人，所產生的沖擊波也會對人對物造成巨大的破壞。

沖擊波是爆炸瞬間形成的高溫火球猛烈向外膨脹、壓縮周圍空氣形成的高壓氣浪。它不僅可以通過超壓擠壓人的內臟和聽覺器官，直接致人死命，還可以沖擊毀壞建筑物、車輛和武器裝備。

2020年，美國波音公司研制成功一種保護士兵和軍用車輛免受沖擊波影響的等離子體墻。該裝置由四個部分組成：傳感器、電弧發生器、激光器和微波發生器。

該裝置計劃安裝在軍用車輛上。它的傳感器能探測附近發生的爆炸，確定爆炸的當量。一旦探測到，電腦能快速計算出沖擊波到達目標所需的時間，以及從哪個方向來。接下去，它就利用電弧、激光和微波，迅速加熱車輛和爆炸之間的空氣墻。它將這些空氣加熱，產生一個比周圍空氣密度大的等離子體防護罩。由于等離子體的特性，這道等離子體墻可以反射或吸收沖擊波的能量，使“墻”后的車輛和士兵免受破壞性影響。

然而，美中不足的是，這種力場只對沖擊波起作用。它與科幻片中的力場不同，無法阻攔飛來的固體物，如石頭或彈片。

不過，這個缺陷或許是可以改進的。有專家提出，未來的力場將由三層組成：第一層是高溫、高功率的等離子體墻，它可以阻擋沖擊波，并將進入墻內的固體物部分汽化。第二層將由數以千計的激光束組成，排列在一個緊密的晶格中，任何沒有被等離子體墻汽化的固體物，再次會受到激光束的照射而汽化。第三層是碳納米管網。碳納米管是一種像石墨烯一樣的材料，只有一個原子的厚度，因此肉眼看起來是透明的，但它比鋼還堅韌，富有彈性。前兩步中沒有被徹底汽化的固體物，飛到這一層，將直接被碳納米管網住，并彈回去。

這樣三層的保護網將能阻止大多數射來的固體物，為一個城市提供強大的防御。除此之外，它還有防激光、防輻射的功能，這一點我們留待下一節再談。

為飛船制造“迷你磁層”

另一種類型的等離子墻可用于保護宇航員免受太空的輻射。

高劑量的太空輻射是前往火星的載人任務面臨的最大挑戰之一。即使是最短的往返旅行也至少需要18個月，在這段時間里，宇航員將暴露在太空中呼嘯而過的亞原子粒子中。這些粒子能夠打斷人體細胞的DNA，增加患癌癥和其他疾病的風險。

人們認識到這種危險性已經有近半個世紀了，但由于成本和技術難度，似乎無法解決。一些專家曾想過用鉛或大量的水來保護宇航員，但讓飛船搭載這么多東西，發射成本高得超乎想象。

另一個想法是模仿地球磁場。我們知道，地球磁場雖然微弱，卻能偏轉太陽風和宇宙射線，保護地表的生命。因此，我們或許也可以借鑒這一做法，制造一個磁場，把飛船整個包裹起來。當然，我們可以把磁場做得遠遠強于地磁場，這樣它的規模就可以大大地縮小。但是不管怎么小，根據計算，這個“迷你磁層”的尺寸也需要方圓數百千米。為維持這個磁場，不僅設備龐大，能量也消耗巨大，而且強磁場還可能傷及宇航員。

我們需要的是一個超輕的輻射防護罩。于是，有人想到了等離子體墻。

關于等離子體能阻擋輻射這一點，我們其實也是從地球自身獲知的。在我們頭頂約64千米高處以遠，是地球大氣層的最后一層——電離層，在它外面就是太空。電離層的氣體被太陽加熱，成為一個等離子體。等離子體可以反射無線電波，阻止無線電波穿透。因此，在沒有人造衛星之前，無線電信號的轉播，完全依賴電離層。

一艘被力場包圍的宇宙飛船可以保護宇航員免受太空有害的輻射。本圖顯示的是《星際迷航》中能偏轉高能粒子的防護罩。

等離子體墻能否阻擋輻射，關鍵要看等離子體墻的密度。地球電離層中的等離子體太稀薄了（因為高空的大氣太稀薄了），所以它只能阻擋長波段的無線電波，波長短的輻射就無法阻擋。但只要我們能為宇宙飛船制造出密度更高的等離子體，它就能夠阻擋波長更短的輻射，如伽馬射線和宇宙射線。

在科幻片《星際迷航》中，宇航員打開一個輕巧的防護罩來保護太空艦“企業號”免受太陽風（主要成分是質子）的攻擊。與此類似，最近科學家想出了一種低功率、輕量級的等離子體力場，可以讓宇航員免遭危險的太空輻射。為了做到這一點，你只需要幾克氫氣、一些金屬網和一個電源。

首先，高壓電將氫氣電離成等離子體，輕輕地從飛船上射出去。一個鐵絲網在一定距離內將整個飛船包裹起來，通過這個鐵絲網還可以施加電壓，誘發一個磁場，將等離子體束縛在飛船周圍。

這個“迷你磁層”防輻射能力與幾厘米的鋁板相當，將能阻擋太陽風中的絕大多數粒子。不過，單這么一個等離子泡，對高能的宇宙射線似乎不起作用。為了應對這種威脅，還需要將飛船用特殊材料包裹起來，就像穿防彈背心一樣。

這樣算下來，整個裝置將重約幾百千克，功率約1千瓦，僅是今天的通信衛星能耗功率的1/3到1/2。

據說，美國宇航局目前正在為未來的火星項目研究這個設想。未來，我們或許真的可以乘坐由等離子體力場包裹的飛船去火星！

加速器上的無形“氣閘”

如果說前面介紹的兩種等離子體力場還僅僅是設想，那么下面要介紹的第三種力場就是已經投入使用的實在東西了。這種力場叫等離子體窗，已經在一些物理實驗中使用。

等離子體窗是一個由強磁場固定的等離子體平面。就像波音公司的等離子體墻一樣，這個等離子體窗可以兩邊保持不同的壓力。因此，一邊可以是真空，另一邊是正常的標準大氣壓，而等離子體的強度足以讓兩者截然分開，同時又允許固體物和某些波長的光直接通過。

如果你使用氬氣來制造等離子體窗，你可以得到一個藍色的力場，就像你在《星球大戰》和《星際迷航》中看到的力場一樣。遺憾的是，現在的等離子體窗還沒法做得那么大。我們在粒子加速器（如歐洲核子中心的大型強子對撞機）中使用的等離子體窗通常都非常小。

粒子加速器之所以用到等離子體窗，是因為它們需要一個完美的真空環境來工作，但有時科學家卻需要從外面射入激光，來操控里面的粒子束，或者把粒子束射出去，譬如從加速器上把高能電子束引出去，瞄準目標做精度極高的焊接。玻璃窗是無法勝任這些工作的，所以我們制造微小的等離子體窗來隔開加速器內部的真空和外部的大氣。等離子體窗在這里起到氣閘的作用。

力場看起來就像一面鏡子

電磁波譜，從上到下，能量（頻率）逐漸升高。

現實中力場的缺陷

從上面的討論中可以看到，如果我們有足夠的電力和足夠強大的磁鐵，就能制造出科幻片中所設想的那種防彈、防輻射、防激光的力場。科學幻想確實不完全是空想！

但是另一方面，我們也不得不承認，科學上能實現的力場恐怕也無法達到科幻片中的要求。

在科幻片中，敵人的炮彈、激光打過來，被我們的力場擋住，“百煉鋼化為柔指繞”;而我們自己的炮彈和激光，卻能穿過力場打擊敵人。可是，現實中的力場技術沒有這么神通。等離子體墻能汽化敵人射來的炮彈，當然也能汽化我們射過去的炮彈;能反射敵人的激光，當然也會反射我們自己的激光。所以，現實中的力場只起到防御作用，無法反守為攻。這是第一點。

其次，科幻片中的力場是對“墻”兩邊的人都透明的。“墻”內的人看著“墻”外敵人的炮彈紛紛汽化，激光反射回去傷著自己，那才夠戲劇性。但現實中的力場雖然無形，對交戰的雙方很可能都是不透明的鏡子，無法看到“墻”另一面的彼方，因而戲劇性大打折扣。這一點容我下面做詳細解釋。

我們的力場一個重要用途是防激光。這是因為在太空戰中，由于戰艦處于失重的狀態，對它施加一個微小的力，都足以讓它暈頭轉向，所以傳統的武器（如子彈、炮彈和導彈），由于發射時產生的后坐力，會把戰艦推離軌道，已經失去了意義，尤其要仰賴激光武器。

敵人的激光需要高能量才能傷害到我們。光束的能量越高，光的頻率也越大（光子的能量與頻率成正比）。為了保護我們免受敵人高頻激光的傷害，我們的力場需要由高密度的等離子體組成，因為等離子體密度越高，它能反射的光的頻率也越高。

但是，密度高的等離子體不僅能反射高頻率的光，也仍然能夠反射低頻率的光。如果高功率的激光，其頻率大于可見光的頻率，甚至在紫外線范圍內，那么等離子體墻不僅反射敵人高頻率的激光，也反射可見光。如此一來，對敵對我，等離子體墻就相當于一面巨大的鏡子了。在它面前看來看去，你只能看到自己的影子，無法看到敵人。這對于太空戰來說并不理想。

當然，對于這一缺點，也有改進的希望。譬如，我們在太陽鏡中使用了一種能過濾高能輻射的材料。這種材料可以過濾太陽光中的紫外線，同時又不影響可見光穿過。也許未來的力場也可以借鑒這樣的技術。

總之，力場的設想最初提出來時，幾乎被人認為是天方夜譚，而這樣“不切實際”的技術竟然也有實現的可能，這不能不讓人驚嘆。