2100科技大未來

發稿時間:2012/12/15
2100科技大未來
2100科技大未來
作者|加來道雄
譯者|張水金
出版社|時報文化
出版日期|2012/11/02

  這本書檢視了人類未來百年的科技發明,然而每項發明皆非空洞幻想,而是經由科學家的實證和訪談論述得來。作者不僅長年主持Discovery頻道的科普節目,更是一位動漫迷和文藝愛好者,數十部科幻電影、小說在書中信手拈來,令人大呼過癮,帶讀者開啟一段令人目眩神迷的未來旅程。

文章節錄

磁力的時代

  上一個世紀是電力的時代。因為電子很容易操縱,所以開啟了全新的科技,使收音機、電視、電腦、雷射、磁振造影機等等都成為可能。但本世紀的某個時候,物理學家可能會發現他們的聖杯:室溫超導體。這將引領大家進入全新的時代:磁力的時代。

  想像一下駕駛一輛磁力汽車,懸浮於地面上,以時速數百英里前進,幾乎不需燃料。再想像一下火車、甚至人們也能以磁力浮在空中旅行。

  我們忘記了汽車所用的多數汽油,都是用來克服摩擦的阻力。原則上,從舊金山開車到紐約幾乎不需要能量。此行需要消耗數百美元汽油,主要的理由是必須克服輪子與地面和空氣的摩擦。但如果你能將舊金山到紐約的路,想辦法塗上一層冰,你可以在大部分的路上幾乎免費滑行。同樣地,我們的太空探索,只用數公升的油就能直衝冥王星,因為他們是在真空中滑行。同樣的情形,磁力汽車可以漂浮地面上;你只要在車上吹氣,它就開動了。

  此一科技的關鍵是超導體。從1911年起就知道,水銀在絕對溫標(kelvin,符號為K)4度以上時,會失去所有的電阻。

  這意味著超導線不會損失電力,因為他們沒有阻力。(這是因為電子通過管線時與原子碰撞會損失能量。但接近絕對零度時,這些原子幾乎處於休息狀態,所以電子可以輕易地通過它們而不會失去能量。)

  這些超導體有奇怪又神奇的性質,但一個嚴重的缺點是:你必須以液態氫將它們冷卻到接近絕對零度,而液態氫很昂貴。

  因而,1986年IBM研究人員宣布發現新類別的超導體,不需被冷卻至那麼異樣的低溫時,物理學家們感到非常震撼。不像以前的材料(如水銀或鉛),這些超導體是陶瓷製品,以前被認為不像是超導體的候選材料,卻在絕對零度以上的92K就變成超導體。尷尬的是,它們在一個過去認為理論上不可能的溫度變成超導體。

  目前,這種新陶瓷超導體的世界紀錄是絕對零度以上的138K。這點意義重大,因為液化氮(價格與牛奶一樣低)可以在77K形成,因而可以用來冷卻這些陶瓷。這個事實本身已經急遽降低超導體的成本。所以這些高溫超導體立即有了實用價值。

  這些陶瓷超導體增強了物理學家的興趣。他們在正確的方向邁進了一大進步,但仍然美中不足。第一,雖然液化氮相對便宜,仍須藉助一些冷凍設備來降低氮的溫度。第二,這些陶瓷很難形塑成電線。第三,物理學家仍然對這些陶瓷的性質感到困惑。經過數十年研究,仍然無法確定它們如何作用。這些陶瓷的量子原理實在複雜,現在還是無解,所以無人知道它們為什麼變成超導體。物理學家還摸不著頭緒。諾貝爾獎正等著有進取心的人,能夠解釋這些高溫超導體的原理。

  但是,每一個物理學家都知道,室溫超導體會有多巨大的影響。它能夠觸發另一次工業革命。室溫超導體不需任何冷凍設備,所以它們能夠創造巨大電力的永久磁場。

  例如,如果電力在銅的迴路裡流動,由於銅線的阻力,它的能量在剎那間就開始耗損。不過,實驗已經顯示,超導迴路中的電力一次可以維持不變數年。實驗證據指出,超導線圈內的電流,生命週期為十萬年。有些理論主張,這種超導體內的電流最長可與宇宙本身同壽。

  至少,這些超導體可以降低在高壓電纜內的浪費,因而,降低電力的成本。發電廠之所以必須與城市比鄰,理由之一就是傳輸線內的耗損。這也就是為什麼會危害人體健康的核子發電廠那麼接近城市,而風力發電不能設置於風力最強的地方。

  高達百分之三十的由發電廠產生的電力會浪費於輸送途中。室溫超導電線將會改變這個現象,因而節省很多電力成本和污染。這也將對全球暖化產生巨大影響。因為全球產生的二氧化碳與能源的使用息息相關,也因為多數能源浪費於克服摩擦,磁力時代可以永遠降低能源消耗和二氧化碳的產生。

磁力汽車和火車

  不需任何額外的能量輸入,室溫超導體就能夠產生超級磁力,可以使火車和汽車懸浮在空中。

  這種力量,可以在實驗室內簡單地表演出來。我自己就為英國廣播公司電視節目和「科學頻道」做過數次。我們可以從科學用品供應公司訂購到一小片室溫超導陶瓷。它是一種大約一英吋大小、質地堅硬的灰色陶瓷。然後你要從乳製品設備供應商購買一些液化氮。將陶瓷放進塑膠碟子,然後將液化氮輕輕倒在上面。氮遇到陶瓷片就開始沸騰。等到氮停止沸騰以後,將一小片磁鐵放在陶瓷上方,奇蹟似地,磁鐵會浮在空中。如果你輕觸磁鐵,它就開始自行轉動。在那個小碟中,你可能已經看到未來的世界交通。

  磁鐵懸浮的理由很簡單。磁力線無法穿透超導體。這就是所謂邁斯納效應(Meissner effect)——當一個磁場用於超導體,一小股電流在表面形成並抵消它,所以磁場被超導體拒斥。當你將磁鐵放在陶瓷上方時,它的磁場線聚集在一起,因為它們無法通過陶瓷。這就創造了一個磁場線的緩衝。磁場線收縮在一起,因而將磁鐵推離陶瓷,使它浮起。

  室溫超導體也可能引導超磁力時代的來臨。我們前面介紹過,磁振造影機極為有用,但需要很大的磁場。室溫超導體將容許科學家創造出廉價的磁場。它也會使未來磁振造影機的小型化成為可能。現在已經能使用非統一磁場,造出大約一英尺高的磁振造影機。有了室溫超導體,將可能它們縮小到一粒鈕扣的大小。

  在電影《回到未來》第三集中,米高.福克斯(Michael J. Fox)踏在飄浮空中的滑板行進。電影首演後,玩具商店的電話被兒童塞爆,大家都想要購買飄浮滑板。可惜,飄浮滑板並不存在,但有了室溫超導體,它們將可能會出現。

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