十、拦截导弹

撰文 汉斯·A·贝蒂(Hans A. Bethe)，理查德·L·加温(Richard L. Garwin)，库尔特·戈特弗里德(Kurt Gottfried)，亨利·W·肯德尔(Henry W. Kendall)

1967年诺贝尔物理学奖得主(贝蒂)，1990年诺贝尔物理学奖得主(肯德尔)

本文刊登于1984年10月《科学美国人》

去年，美国总统罗纳德·里根在电视演讲里，号召全美科学界“给予我们新技术，放弃这些老旧无用的核武器”，表达了对技术革命的渴望，希望新技术的出现，能让美国有能力“在战略弹道导弹落到我们或者盟国的土地上之前，对导弹实施拦截。”

有能够消除核灭绝威胁的弹道导弹防御系统吗？

我们对弹道导弹防御系统前景的分析，将集中在助推阶段的拦截上。

助推阶段的拦截需要许多非武器的设备原件。我们通过探测助推器喷出的火焰，提供早期的攻击预警。在确定来袭导弹的数量、运行轨迹及其型号(有可能的话)之后，锁定它们，然后就准备、瞄准并发射拦截武器，并且评定此次拦截是否成功，接着发射下一轮拦截武器(如果时间允许)。

为了摧毁助推器，我们必须在看到导弹之前，就开始进行拦截(如果等到发现它之后再拦截，就来不及了)。所以，防御系统必须从数千千米高的太空中开始助推器阶段的拦截。为此，目前有两种“定向能”武器(高度精准的武器)正在研发中：一种是利用激光束，它的速度是光速(300000千米/秒)；另一种是粒子束，速度也差不多和光速一样快。目前，人们已经设计出了一种能够追踪助推器红外信号的防爆弹。

此外，其它拦截方案，包括化学激光武器、中性粒子束武器和自动追踪武器，都必须要安置在地球低轨道上。

目前，最亮的一种激光是，由氟化氢化学激光器产生的红外激光束。美国国防部计划，于1987年底之前展示一部两百万瓦特功率的这种激光器。假设人们目前已经拥有2500万瓦特功率的氟化氢激光器，以及性能完美的10米直径反光镜。这就相当于得到了一种具备3000千米“杀伤半径”的武器。如果每一部激光器都能发挥其最大功效，那么，300部位于低轨道上的这种激光器，就能够摧毁1400枚洲际弹道导弹的助推器。

粒子束武器发射的高能带电粒子束，能够钻进导弹弹体深处，扰乱其导航系统中的半导体元件。然而，这些带电粒子束会受到地球磁场的影响，运动轨迹发生弯曲。也就无法精确瞄准远距离目标。因此，人们需要制造出中性粒子束。此外，攻击导弹可以使用具有极强抗辐射能力的砷化镓半导体(它的抗辐射能力比硅半导体强1000倍)，以保护导弹的导航计算机免受损伤。

十一、对时间的精确测量

撰文 韦恩·M·板野(Wayne M. Itano)，诺曼·F·拉姆齐(Norman F. Ramsey)

拉姆齐是1989年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1993年7月《科学美国人》

随着捕捉、冷却原子和离子的新技术出现，我们完全能够让时钟比现有的水平精确1000倍。

最有希望的一种方案是利用被捕捉的带电离子的共振频率。被捕捉的离子能够悬浮在真空中，所以它们几乎完全不受外界干扰，也不会同其他离子或者器壁发生碰撞。

捕捉带电离子两种“陷阱”。“潘宁阱”利用非均匀静电场和均匀静磁场的组合束缚住离子；在射频阱(通常称为“保罗阱”)则用振荡的非均匀电场束缚离子。惠普公司、喷气推进实验室，以及其他地方的研究人员研制出了使用保罗阱的标准实验装置。被捕捉的“猎物”是汞199离子，其最大Q值(Q代表粒子的稳定性，Q值越高，稳定性越好)标准超过了1012。这一数值比当前铯束原子钟的Q值高10000倍。

中性原子捕捉和冷却比捕捉离子更困难，在过去几年里，它的技术取得了很大进展。其中的激光冷却技术使用的是沿三条互相垂直的路径上传播的三对相向激光束，特别有效，可以使任何运动方向的原子慢下来。研究人员受此启发，设计出了“光学粘胶(optical molasses)”。与离子阱相比，中性原子阱能够储存的原子密度更高。这是由于离子带电，会因相互排斥作用而保持距离。在其他参数相同的情况下，原子越多信噪比越高。

使用中性原子作为频率标准的主要障碍是，原子在阱里的共振会受激光场的强烈影响。现在，一种被称作“原子喷泉”的器件克服了这一难题。在一些样品原子被阱捕捉并冷却后，它们被向上推，进入没有激光的区域；然后，原子会由于引力的作用再落回来。在向上、向下的运动路径上，原子都会经过振荡的场。通过这种方式，共振转换被激发，就像位于不同振荡场束的器件一样。

阱里的激光冷却离子是目前研究的热点，它是一种光学共振，频率高达数千吉赫兹(吉：十亿)。因为它Q值很高，这种标准为精确时钟提供了很有前景的基础。美国国家标准及技术研究所的研究人员，在单激光冷却被捕捉离子的紫外频段共振振荡上，观测到了高达1013的Q值。这个数值是迄今为止，光学或微波原子振荡中发现的最高Q值。

对时钟准确度的期望越高，越能促使我们优化当前的技术。这将打开通往新功能的一扇门。也许只有时间能告诉我们这些新功能是什么。

十二、碳元素的奇妙王国

撰文 安德烈·K·海姆(Andre K. Geim) 菲利普·金(Philip Kim)

海姆是2010年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于2008年4月《科学美国人》

每当用铅笔在纸上画上一道，纸面上留下的痕迹里面就包含些许当下物理学和纳米技术领域最热门的新材料：石墨烯。石墨，即铅笔里的芯，是纯碳的一种形式。它由平的、一层层堆砌起来的碳原子构成，石墨烯是对其中一层原子的称呼。它由不断重复的六角形网状结构的碳原子构成，厚度仅为一个原子。它不仅是所有材料中最薄的，还十分牢固坚硬。此外，它在纯态、室温下传导电子的速度比任何其他物质都要快。目前，世界各地实验室的工程师们都在研究这种物质，以确定它是否能被用来制造智能显示器、超高速晶体管以及“量子点”计算机。

另外，石墨烯在原子尺度上的奇异特性，还可以帮助物理学家们深入研究那些必须用相对论量子物理描述的现象。在这以前，对此类现象进行研究，一直都是那些使用着价值数百万美元的望远镜或粒子加速器的天文物理学家和高能粒子物理学家们的“专利”。石墨烯的出现，使实验物理学家们用实验室里的小型仪器就能测试那些相对论量子力学预言了。

石墨烯的这两个特点使其成为一种独特的材料。首先，虽然它是以相对原始的方法生产出来的，但石墨烯的结构却非常完美。这是由于其含有的高纯碳，以及碳原子排列成的晶格高度有序性的共同结果。至今，研究人员还未发现石墨烯里面有一个原子缺陷——比如，晶格某些原子位上存在空缺，或者哪个原子的位置不对。这种完美的晶体结构秩序似乎来自于虽牢固却可高度曲弯的碳原子间的化学键，进而让它成为一种比钻石还坚硬，同时在施加外力时又可以平面弯曲的物质。它的高质量晶格还赋予了石墨烯极高的导电性。它里面的电子能够自由运动，不用担心会被晶格缺陷和外来原子散射出去。

石墨烯的第二个独有特性是，它的导电电子运动速度比那些穿过普通金属和半导体里的电子要快得多，仿佛质量比它们轻许多。实际上，石墨烯里的电子(或“电荷载体”)是一种奇妙的东西，属于由类似相对论量子力学等理论规则支配的神奇世界。石墨烯固体里的这种相互作用是独一无二的。由于石墨烯的出现，相对论量子力学不再局限于宇宙学或高能物理学中，终于走进了普通实验室。

有一个研究方向特别值得提出，那就是基于石墨烯的电子器件研发。我们前面已经提到，石墨烯里的电荷载体运动速度很快，而且几乎不会同自身晶格里的原子碰撞、损失能量。这一特性可用来制造弹道晶体管，这是一种比现有晶体管响应速度快得多的超高频器件。

更诱人的是，石墨烯能帮助微电子工业延长摩尔定律的适用期。即使在纳米尺度上，石墨烯仍然具有出众的稳定性和电子导电性，我们可以用它制造尺度小于10纳米，甚至小到一个苯环尺度的单独晶体管。在不远的未来，我们或许可以在一片石墨烯上刻制出整个集成电路。

无论这个只有一个原子厚的奇妙物质未来前景如何，至少它在以后数十年必将仍是研究的热点。工程师们将继续努力把创新型的石墨烯副产品推向市场，物理学家们也将继续测试它奇异的量子特性。但是，最令人震惊的也许是，如此神奇的东西，竟然在普通铅笔里隐藏了几个世纪。