神通激光

第二节 给科学长上翅膀

　　激光在物理学、化学、生物学、地球物理学、天文学、空间科学和宇宙学等基础学科上的应用，使这些学科如虎添翼，更迅猛地向前发展。激光能够产生超高温、超高压、超高速、超高场强、超高单色性等一些极端物理条件，作为一种强有力的技术手段，使人们可以对一些重大的目前已有的理论和尚未完全解决的问题，进行新的实验和验证，从而不断取得新发现、新突破、新进展、新成就。

　　在物理学上，科学家们利用激光验证伟大科学家爱因斯坦早在1905年提出的“狭义相对论”。

　　爱因斯坦的“狭义相对论”认为：光速是一切物质运动速度的极限值，没有任何物质运动的速度可以超过光速。这一假说是建筑在迈克耳逊—莫雷所进行的否定“以太”存在的实验的基础上的。

　　前面介绍过：1678年，荷兰物理学家惠更斯提出“以太”理论，以为光是在充满整个空间的特殊媒质“以太”中传播的弹性波动。我们生活的空间里真的有什么“以太”吗？1887年，迈克耳逊和莫雷为检验“以太”进行了干涉实验，结果完全否定了“以太”的存在。激光出现以后，人们利用激光再次进行了迈克耳逊—莫雷实验，精度提高了1000倍。科学家们认为：假定有“以太”存在，那么气体激光的工作频率在“谐振腔”中应随着光相对于“以太”流的传播方向不同而改变，这种在“谐振腔”中的光速的变化（或波长的变化）可通过激光频率的变化来观测。科学家们实验观测的结果是：尽管使激光器相对于假想“以太”流的各种方向辐射，激光的工作频率始终不变。这就是说，“以太”根本不存在。在这个实验中，科学家们采用0.03毫米/秒的精度证实光的速度是恒定不变的，这样，利用激光再一次验证了爱因斯坦的相对性理论。

　　狭义相对论的正确性，似乎已经确定无疑。然而，光在真空中的传播速度（约为每秒30万公里），真的就是物质运动的最高速度、能量传播的极限速度了吗？近40年来，对于这个“光速极限”问题，还是不断有人提出异议来。1962年，物理学家比兰纽克等人提出了超光速的第三类粒子的新概念。1967年，美国物理学家范伯格进一步阐述了超光速粒子的概念，并把这种粒子命名为“快子”。他认为，这种快子，在光速情况下具有无限大的能量和动量，当它失去能量时，速度就增加，直到能量降到零，速度则升到无限大。

　　奇异的超光速的快子在哪里呢？多年来，一些物理学家进行了实验探索，他们寻找快子的一种途径，是利用快子能够放射出契伦柯夫辐射。契伦柯夫辐射是一种电磁辐射。1934年，前苏联物理学家契伦柯夫发现：在一种透明媒质中运动速度比光快的粒子会拖出一种蓝色的光尾来，其尾迹的角度大小取决于这种粒子在该媒质中的运动速度比光在同一媒质中的传播速度大多少。这种超光速运动的粒子所发射出来的蓝色光辐射，就被称为“契伦柯夫辐射”。一些物理学家认为，在真空中，以超光速而运动的快子，也会发出光尾来。只要能探测出契伦柯夫辐射，就能够找到和证实快子的存在。为了探测快子，物理学家还研制了一种特殊的契伦柯夫探测器，用来探测契伦柯夫辐射，测定它的强度和方向，从而计算出粒子的速度。

　　物理学家们甚至还描绘了快子运动的宇宙环境，它是不同于我们这个宇宙的另一种宇宙。

　　在我们这个宇宙里，一个物体运动速度在任何条件下都不可能超过光速。一个物体如果不运动，它的能量等于零；当它得到能量的时候，运动速度将会越来越快；而它得到的能量为无限大时，运动就被加快到光速。这个宇宙叫做“慢宇宙”。

　　在另一种宇宙里，一种粒子运动速度在任何情况下都是超光速的。这种粒子就是快子，它以无限大速度运动时，所具有的能量为零；而它得到能量时运动就会减慢，得到的能量越大，运动速度就越低，当它得到无限大的能量之后，运动速度就会降低到光速。这个宇宙叫做“快宇宙”。

　　科学家认为，可能存在着一种并不违反爱因斯坦理论的快子，这种快子构成了一个不同于我们这个宇宙的“快宇宙”。

　　超光速粒子或快子是否存在？光速是否可以被逾越？这个问题，正期等着人们去探索。

　　激光技术为科学家们研究超光速运动问题和光子静止质量问题，提供了一种新的技术手段，使人们有可能进行对狭义相对论的更深入的探讨，以至利用激光技术创造必要的条件，有可能进行有关广义相对论的重大原理性实验。

　　在化学上，科学家们利用激光有可能激活化学过程，加速化学过程，使化学反应往某个预定方向进行。

　　我们知道，化合物是由分子组成的。分子又是由原子组成的。分子中的原子都处于振动状态，在强光照射下，原子的振动幅度就会加大。由于普通光源发出的光包含有多种波长、不同频率的光，因而对各种频率的振动都起作用这样，在普通光的照射下，多个原子的振动振幅都被增大。当十分强烈的普通光照射到分子上时，有几个原子的结合可能就被切断，分子就产生了分解。不过，这种情况并没有多大用途。如果能够按照人们的预期目的去切断某个原子的结合，就可以改变分子的结构，制造出人们预定计划中的分子，那意义可就大了。

　　我们自然会想到，激光是一种光强度大、频率单纯的“利刃”，或许能帮助人们切断某个预定的原子的结合吧？不错，是要靠激光。可是，要实现上述的设想也有其特殊的困难：切断原子结合的必要的激光频率，只有利用以同种原子作为工作物质的激光才能获得，这却是不一定能做到的。因此，必须进一步研究获得必要的频率的方法。

　　如果将一种与化合物中分子振动频率相同的强力激光照射到分子上去，激光的频率正好与分子的结合能相对应，激光的强度又足够大，激光光线只作用于某个预定的分子结合，那么，这个既定的结合就会被切断，而其他的分子结合不受影响。这样，化学结合被有选择地切断，化学反应就有可能朝着预定的方向进行。或者，为了得到预定的化学反应，改变所使用的激光的频率，也可以同时使用几个不同频率的激光，从而获得新的化合物。

　　实验表明，激光在常温、常压和不采用催化剂的条件下，具有诱发化学反应和增强化学反应的效果。激光分离同位素是激光在化学领域中应用的突出例子。同位素在生产、科研中用处很大，但在自然界里，同位素是以同位素混合物的形式存在的。例如，天然铀主要含有铀235和铀238两种同位素。要把铀235和铀238分离开来，采用通常的方法，成本十分高昂；利用激光分离同位素方法，分离系数高，成本低得多。铀235是原子能发电燃料和原子弹制造填料，但铀235在天然铀中只占0.7%，要用作发电燃料需要浓缩到3%，用作原子弹填料需要浓缩到90%以上。采用通常的扩散法进行浓缩，需要上千级扩散装置，设备庞大，耗电很多。利用激光浓缩法，一次把铀浓缩度提高60%，使分离工厂规模和占地都大大减少。