什么是电磁炮?


19世纪时,荷兰的物理学家诺贝尔奖金获得者洛伦兹设想过设计一种用电磁力发射炮弹的大炮。但是他并没有真正去做。1845年,在洛伦兹时代,有人实现了洛伦兹的设想。那时只把一根金属棒用电磁力射出了20米远。到了20世纪的1901年,挪威奥斯陆大学物理教授伯克兰对电磁炮产生了兴趣,他造出了第一门可以叫做电磁炮的装置。他把一枚500克的弹体加速到每秒50米。如今一个长10米直径65毫米的电磁炮还陈列在挪威技术博物馆中,它的最好成绩是把一个10千克重的弹体射至100米左右远的地方。

自从火药发明以后,人们就一直使用火药来发射炮弹。常规的火炮,炮弹的最大速度与火药的特性及炮筒的质量有关,一般是每秒2000米。为了加大炮弹的速度,就要努力延长炮筒的长度,多填装炸药,但是这些都是有限度的。所以在过去的一些科幻小说里,坐着炮弹到月球去旅行只是幻想,在有了电磁炮以后就成为能实现的理想了。

电磁炮从理论上可以使炮弹的最终速度接近光速。具有这种速度的炮弹一旦研制成功,发射卫星就不必使用火箭了。想一想发射火箭时可能出现的风险,火箭燃料对于大气的污染情况,研究电磁炮的重要意义就可想而知。

发射一枚电磁炮和火炮相比,所需能量小得多,也许只需要一座教学楼一天的用电量。计算表明,用电磁炮发射一个1000吨的宇宙飞船,让它逃离太阳的引力,速度达到每秒11.2千米,所需要的能量仅相当于一个发电站1~2分钟发出的电能。比现在的方法不知要节省多少倍。

一个困难的问题是,发射时要求的功率很大。也就是说必须在一瞬间把这些能量释放出来。在发射电磁炮的时候,大约需要上百万安培的电流,输出百万千瓦的功率。所以,技术上最困难的是如何在一瞬间产生上百万安培的强大电流。这是电磁炮研究的焦点。

二战之后的物理学大事记[转载]

本文转载自:http://www.zhihu.com/question/20812258/answer/16681725  感谢作者的辛苦整理。

「重要」的标准见仁见智。以下列举一些,并给出简要评介。

有些严格来说算是「发现」,不过发现和实验本来就无绝对界限;还有一些实际上是「发明」或者「技术」,但因意义重大,故一并列出。

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核磁共振(1946)

Edward Purcell和Felix Bloch分别用共振吸收和核磁感应法测量核磁矩,实现了核磁共振。二人因此获得1952年Nobel物理学奖。

Lamb位移(1947)

由Willis Lamb和Robert Retherford发现。Lamb位移是量子电动力学的第一个实验证据。其说明即便最简单的氢原子,量子力学也不能完整描述,而需要用量子电动力学。Lamb因此获得1955年Nobel物理学奖。

电子反常磁矩(1947)

反常磁矩包括电子和μ子的反常磁矩。前者由Polykarp Kusch精确测量,并因此获1955年Nobel物理学奖。反常磁矩同Lamb位移一起,是量子电动力学的最重要的实验支柱。

π介子(1947)

由Cecil Powell等人在宇宙线中发现。Powell因此获得1950年Nobel物理学奖。而在1949年,汤川秀树则因为理论预测π介子存在获得Nobel奖。π介子是最轻也是最重要的介子,对研究低能强相互作用有重要作用。

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为了光的完好传播,人们创造了拓扑绝缘

转载自:http://article.yeeyan.org/view/350570/356594

用蜂巢螺旋结构做拓扑绝缘

以色列和德国的科学家已经研究出了拓扑绝缘体的光学模拟。拓扑绝缘体由一系列螺旋导波管组成,光无法在导波管之间传播,却可以在其表面畅通无阻——即使导波管表面不平整。该小组介绍到,这一性能可用于模仿量子现象或者用于光子电路中。2005年人们第一次预测到了拓扑绝缘,随后即在实验室得到证实,它已成为凝聚态物理中的热点话题。这些物质聚在一起是电气绝缘,它们各自的表面则有很强的导电能力。正是由于导波管整体的拓扑结构造成了每个波管表面强劲的导电性。每个导波管表面和导波管整体的电流差别很大:电子可以沿着表面移动而不会分散到整个系统中。

保存动量

更为重要的是,带有一定动量、在表面传导的电子无法扩散至一个带有相反动量的整体中,原因在于:电子必须自旋翻转才能达到这一目的,而在普通材质中它根本实现不了。所以电子别无选择,只能沿着同一方向传导。在量子计算中,遇到不平整时的散射会损害电子携带的量子信息,因此,拓扑绝缘在量子计算的应用中显示出了极大的潜力,

现在,一个小组已经研究出了一种类似于拓扑绝缘的光学材料。一篇论作说到,把一种物质置于时变电磁场时,拓扑绝缘就有可能被创造出来。小组成员在2011年读到了这篇文章,从而产生了这一想法。他们发现,若沿着导波管的方向是由时间而不是z分量的空间决定,那么这种物质的二维薛定谔方程式等同于描述在大量光中进行的三维光传播的方程式。

光的泄露

如果导波管仅仅是笔直的圆柱体,那么光会从导波管泄露出去,这使得导波管的组合整体变得与x-y平面中的导电体相类似——事实上,这种组合整体就是蜂窝状的,它的性能也与石墨烯的电子性能类似。但是,要想模拟时变磁场,波导管必须成螺旋状,这样一来,在x-y传导带中才会有一个空间来阻止光在不同导波管中的泄露——就创造出了成整体的绝缘体。然而,由于表面传播的状态持续存在,光可以在表面x-y方向上自由传播。

为了在实验室检验这一想法,该小组使用了一块熔融石英以及飞秒激光写作法(起修饰局部折射率的作用)来制作螺旋导波管的组合。导波管之间的最小距离为15微米,整个结构长10厘米。研究人员随后在组合整体的六边形切边缘发射了一束光,正如所料,光是在导波管表面而非整个组织的内部沿着x-y方向传播的。更进一步地,当光到达组织的边缘时,它轻巧地转了个弯,在相邻的表面上继续传播——作为实例说明了导波管表面传播有多么强大。

为了进一步验证表面传播的稳定性,该小组还研究出了导波管表面有缺失的组合。研究人员再一次发现,正如人们对拓扑绝缘的预测一样,光能够准确无误地越过这些瑕疵继续前行。

次波长物质

该小组对物理世界网说到:这种光子拓扑绝缘体可以用于硅光子学中,硅光子是一种使用光脉冲而非电子信号来传递内容的循环电路。制造小型硅光子电路的关键问题在于杜绝光因反射或泄露而传播到它不应该在的地方——这会导致循环电路之间的串扰。理想状况下,用拓扑绝缘就能做到这一点——把光局限在小于光本身波长的空间里。

物理学家们还认为,这种物质在量子效应中做光子模拟器也会十分有用。例如,在实物中,它可以更好的接受电子的信息。最后,该小组指出,人们努力使用量子作为量子比特来发明量子计算机,他们也会对光子拓扑绝缘产生兴趣,原因在于:无散射传播在量子计算机的强劲发展中可能起到很大作用。

造价21亿的暗物质探测仪长什么样?

诚然,希格斯玻色子是一个革命性的科学发现,但 CERN(欧洲核子研究组织)并不是唯一一个重新改变我们对基本物理看法的人。近日,一个以诺贝尔物理奖 获得者丁肇中教授为领导的国际科研小组公布阿尔法磁谱仪(AMS)项目 18 年之后的第一个实验结果——ARM 探测到的 40 万个正电子可能来自一 个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

 

当然,丁肇中没有直接说“发现”了暗物质,他用词相当谨慎。他说,目前 AMS 的测量结果与暗物质粒子的理论预言相符,但是不排除其他理论解释的可能性。

暗物质指无法通过电磁波观测进行研究,即不与电磁力产生作用的物质。如果暗物质真的被发现,那暗物质理论将会得到进一步完善,宇宙组成之谜也会进一步解开。

丁肇中团队使用一个叫做 AMS 阿尔法磁谱仪的设备探测暗物质,该探测仪是目前灵敏度最高,也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备,它凝结着来自 16 个国家数百名科学家的心血,共耗资 21 亿美元。

据了解,AMS 暗物质探测仪是在欧洲航天局的欧洲太空研究与技术中心制造,经过欧洲核子研究组织核粒子束的严格测试,最后从肯尼迪航天中心送往国际空间站。

AMS 暗物质探测仪的主要作用是探测浩瀚宇宙中的特殊粒子、观测宇宙射线、记录宇宙正电子、收集宇宙线数据等,然后将所搜集到的信息发送回地面供科学家分析。在 180 亿次的搜寻探索中,AMS 记录下了 40 万个正电子,这些正电子的来源有可能是能解开宇宙之谜的暗物质。

追寻暗物质之路

它无所不在,却又无迹可寻。没有它就没有我们的宇宙,更谈不上今天的人类。它就是暗物质,一个让物理学界追寻半个多世纪的谜。这个谜可能很快揭晓。当地时间3日,诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布的成果,让人类在认识暗物质的道路上迈出重要一步。丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪已发现40万个正电子,这些正电子可能来自人类一直寻找的暗物质。

 

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丁肇中团队的报告当天发表在《物理评论快报》上。这份著名的学术刊物同时刊发署名评论说,新成果具有“史无前例的灵敏度”,尽管现在还不能排除其他可能性,但它“强烈暗示”人们已捕捉到了暗物质的痕迹。

美国航天局局长查尔斯·博尔登3日也发表声明说,阿尔法磁谱仪首批研究成果“将有助于促进对基础物理学和天体物理学领域新的理解”,“我们期盼更多来自这一项目的令人激动的成果”。

阿尔法磁谱仪有颗“中国芯”

3日发表的丁肇中团队报告,后附一份长长的作者名单。阿尔法磁谱仪项目荟萃了全球54个科研机构的数百名研究人员,其中名列第七的是中国的中科院电工所。阿尔法磁谱仪有颗“中国芯”,它最关键的大型磁体来自中科院电工所。

当天晚间,丁肇中在办公室接受新华社记者采访时说,目前阿尔法磁谱仪收集到40万个正电子,远远超出人们的想象。此前包括美国费米望远镜等项目都曾观察到过量正电子现象,但数据误差很大,而阿尔法磁谱仪的误差只有1%,“相当于肉眼和精密显微镜的区别。”

应该说,阿尔法磁谱仪在探寻暗物质的过程中立下了汗马功劳。但如何将一个桌子大小的磁体送入太空却困扰了科学家近40年。

早在上世纪60年代,丁肇中就踏上了追寻暗物质的征程。“我的创意是1994年2、3月时提出的,因为我在60年代末就做过反物质的实验,此后也经常考虑暗物质、反物质的问题,”丁肇中此前曾表示。

直到一次偶然的机会,丁肇中在美国一份文献中看到中科院电工所的论文,发现中国能制造很好的磁体,与其他国家的方案相比,电工所的永磁体方案具有重量轻、无漏磁、无二极磁矩及磁场均匀等优点。丁肇中把这一方案带回美国,获得一致肯定,随后与中方签署了合作合同。

“近40年无法解决的难题,最后还是由中科院电工所给解决了,”丁肇中说,“如果缺少了中国科学家,如何将大型磁体放入太空这一几十年来的难题恐怕现在还无法解决。”

1998年6月,磁谱仪项目的实验机阿尔法磁谱仪1终于搭乘“发现”号航天飞机升空10天,获得了大量重要数据,其核心部分就是中国制造的永磁体系统。

2011年5月,阿尔法磁谱仪2搭载最后一班航天飞机,在国际空间站开始长达20年的太空探索,其核心部分仍是当年的“中国制造”。

除 永磁体系统是中国制造外,磁谱仪项目的整体散热系统、轨迹探测器热控系统、地面模拟系统、电磁量能器结构和地面总装支撑设备的设计研制,也分别由山东大 学、中山大学、东南大学和中科院高能物理研究所独立或参与完成;而台湾的中山科学院也为磁谱仪项目设计出了运行速度比美国航天局现行系统快10倍的电子控 制系统。

站在寻找暗物质的制高点

2011年5月16日,美国“奋进”号航天飞机将阿尔法磁谱仪2送至国际空间站。3天后,阿尔法磁谱仪收集到的首批数据发回位于日内瓦的控制中心。这次最新公布的研究成果,就是基于阿尔法磁谱仪从2011年5月至2012年12月记录的250亿个宇宙射线事件。

获取数据只是第一步,对庞大的数据量进行分析才更关键。丁肇中此前接受新华社记者采访时说,如果把每个粒子、每道宇宙线经过磁谱仪都算一个数据,那么磁谱仪每天传回的数据都在100万至1000万个之间。

中国的中科院高能物理研究所承担了大量数据分析工作,此外,东南大学、中山大学和山东大学与美国麻省理工学院、德国亚琛大学、意大利和法国的科研机构等都加入了这一国际合作的大项目。

事实上,全球科学界长久以来对暗物质的探索并不止于阿尔法磁谱仪项目。中科院紫金山天文台的科研团队目前正与国内同行合作,加紧研制“暗物质粒子探测卫星”。相比阿尔法磁谱仪,中国研制中的这种卫星耗资少、重量轻,可望在暗物质探测领域取得突破。

探寻暗物质,既是各国科研机构和科学家的一场竞赛,也是一项合作,而中国科学家正在其中发挥着更多的智慧与努力。(综合新华社记者吴陈、王昭、杨骏、刘军报道)

[图]盘点私人航天精品:载人飞船与充气式空间站

据国外媒体报道,随着航天飞机机队全部退役后,NASA缺乏一种可进入轨道的载人航天器,国际空间站的货物由欧洲和日本的货运飞船运输,而人员转换则完全由俄罗斯的联盟系列飞船承担,每个座位的价格更是高达6200万美元。对此,NASA与数家私人航天企业签订了载人飞船的研制合同,凭借私人航天企业在成本上的优势重新获得进入近地轨道的载人飞船。

 

1.私营企业将承担起更多的NASA未来航天计划

2. 猎鹰9号”火箭与“龙”式飞船,两者共同组合成近地轨道载人宇宙飞船产品。

乔治·华盛顿大学空间政策研究所教授约翰·洛格斯登认为:同样一项研发计划,私营部门比官方机构更有效率,并能将成本降至最低。总部位于加州的太空探索技术公司主要从事火箭、宇宙飞船等轨道服务。

3. “龙”式飞船对接空间站

艾伦·马斯克为太空探索技术公司的CEO,该公司与美国宇航局签订了价值16亿美元的合同,至少执行12次轨道发射往返补给任务。相关航天专家表示,随着私人轨道发射业务的崛起,俄罗斯宇宙飞船的发射次数将被削减,太空探索技术公司的“龙”式飞船一开始将定位为载人用途。

4. 波音公司研制的CST-100宇宙飞船

此外,波音公司和内华达山脉公司也推出了自己的亚轨道飞行器,波音公司的代表作为CST-100宇宙飞船,该飞船被认为是下一代往返于国际空间站的交通工具。

5. 内华达山脉公司推出的追梦者亚轨道飞船

内华达山脉公司则推出了追梦者亚轨道飞船,其发射方式类似航天飞机,由大力神系列运载火箭发射,该型飞船具有前卫的气动设计,发展前景十分看好。

6. 毕格罗充气式空间站

除了亚轨道飞行器外,有些私人航天企业也开展了空间站研究,比如毕格罗宇航公司推出了充气式空间站,该模块还有可能成为未来的月球基地,可支持6名宇航员生活和工作。

7. XCOR航空航天公司的“山猫”亚轨道飞行器

8. “山猫”亚轨道飞行器虽然不与ISS对接,但是XCOR公司希望其打开亚轨道之旅的大门。

9. 太空船2号进行尾部气动减速测试飞行

10.维珍公司研制的太空船2号亚轨道飞船

新奇技术:利用输入验证码实现数字化(我们都在给人家免费打工)

science上面有一篇文章提出一个想法:先由计算机生成一个验证码,然后从需要数字化的书中扫描出一个单词出来,合起来作为一个验证码。用户只要正确回答对第一个验证码就算通过验证,但是不明真相的群众们会把第二个单词也回答对——这就把那个单词的图片转化成了字母。不过这里有个小瑕疵,我有一次就错误地输入了一个字母,但是仍然判定验证码正确…… 所以,如果碰到这种两段式的验证码,不如也故意搞下破坏试试看吧!!

经过初步google和wiki搜索发现这不是一个谣言,文中提到的Luis Von Ahn确实创立了一个公司来利用互联网用户进行书本的数字化工作,每天大约有1亿个图片通过这种方法被识别,而且他还发明了其他各种利用人脑帮助计算机进行运算的算法……

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老网民们大概都记得,刚开始上网的时候,是不存在验证码(capcha)这么一种东西的。这造成的结果是,垃圾评论和垃圾邮件可以轻松通过任何一个网站的注册程序,通过各种方式轰炸人民群众的眼球。

最先想要解决这一问题的是雅虎——作为互联网时代早期最重要的免费邮件提供商,他们一方面要解决用户们每天遇到的数以百计的垃圾邮件轰炸,另一方面,他们自己的免费邮箱,恰恰又是垃圾邮件的最爱——耗费无数资源所阻止的垃圾邮件,都来自于自己的服务器。这让雅虎开始认真考虑如何解决人机辨识问题。

他们找到一位当时刚刚21岁的天才——Luis von Ahn。 而Luis Von Ahn给出的方案,就是这个让人民群众微微皱眉,但是让计算机耸肩挠头的验证码。计算机辨识技术还很落后,对于经过扭曲、污染的文字,无法辨识。而人类却可以轻松认出这些文字。这是一个简单而巧妙的设计,计算机先是产生一个随机的字符串,然后用程序把这个字符串的图像进行随机的污染,扭曲,再显示给显示器前的人或者机器。凡是能够辨识这些字符的,即为人类。

故事还没完,Luis Von Ahn是那种追求完美的科学家。当全世界数以十亿计的人每天都会浪费几秒钟的时间参与辨认文字这一简单活动的时候,他开始思考,其中浪费的人脑智力是否能得到更好的应用呢?Luis Von Ahn的最终设计是,让人们用这些脑力解决一些计算机无法解决的“图书数字化”。

在计算机时代以前,印刷术已经存在了数百年,但这些印刷术所产生的书本和报纸等等,对于计算机来说都是模拟信号,仅以图像的形式存在,而非以数字化的形式存在。但是,早期的印刷术并不精确,文字大小不一,形象有差别。而且因为印刷品年代久远,拥有各种细微的缺损和污染。这对人眼来说不是什么大问题,但对计算机来说就麻烦了。

因此,2002年,luis Von Ahn开始让capcha引用各种无法被计算机辨识的文字图像,目前,已经有上万网站采用他的新一代capcha。每天帮助辨识数以百万计的古老文档。问题在于,对于最初的capcha来说,计算机实际上是知道答案的。而Luis希望人们辨识的文字,计算机实际上是不知道答案的,那如何能验证返回的答案到底是不是真的呢?

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