极限环境下的科学

在超高压状态制造比钻石更硬的物质

　　

　　地表的物质受到的大气压强，约为1标准大气压(1013帕)，在珠穆朗玛峰项上是0.3气压，在海底最深处的水压约1000气压，地幔中心达360万气压。目前科学家已开发出一种装置，可制造出400万气压的超高压环境。这是目前世界上最高水平的超高压状态。在这个环境下，钻石的大小将被压缩到原来的70％左右。考虑到钻石多是在10万气压下制造出来的，如果在更高压力下，有可能造出比钻石更硬的物质。不仅钻石，一切物质置身在极限的超高压下都会具有金属的性质。这是因为物质中的原子距离由于高压而缩小，结果围绕各原子的电子能够在物质中自由活动。这样，在某个高压条件下，有些物质或许能够产生具有像超导体那样的新性质。科学家的目标是探索在这样超高压下可能出现的新物质。

　　

　　用超重力场发现新物质

　　

　　地球上的一切物体都受到地球重力的影响。假如离地约5米高的物体静静地落下(空气阻力可以被忽视的情形)，约1秒钟落到地面。目前科学家已开发出“超重力场发生装置”，制造出是地球表面重力100万倍的世界最大级别的超重力场。在这个环境下，如果进行与刚才相同的下落实验，物体大约千分之一秒落地。在这种环境下，不要说液体，连固体中的原子位置也发生改变，其结果有可能诞生新的物质。

　　科学家开发的这种装置是每分钟19万转的超离心机，由它产生的离心力可制造超重力场。实验的过程是：首先将置身在超重力场的物质密封在称之为旋转体部分的内部，以每秒约500转旋转，速度不断提高，约10分钟后便进入超重力状态。这个装置能够将超重力状态保持100个小时。另外，采用了辐射加热，内部的温度可达到500℃以上。在超重力和高温状态下，使原子慢慢沉降，从而改变原物质结构，产生新的物质。例如，将铟与铅组成的合金置于超重力场，铟的原子量是115，铅的原子量是207。在超重力场的环境下，铟和铅各自的原子偏向重力方向的程度不一样。相对更重的铅原子在超重力下“沉降”，集中在这个合金内部的“下侧”(在超重力下物体坠落的方向)。也就是说，越到“上侧”铅的浓度越小，而铟的浓度则上升。在合金或化合物等由多种原子构成的物质中，各种原子起到了一样的作用。人们可以利用超重力的环境，对合金或化合物内的原予的构成及分布进行重新分配，从而制造出新的物质。

　　

　　用超强磁场揭开电子潜在的性质

　　

　　众所周知，罗盘的指针显示地球的南北方向，这是因为地球本身就是个大的磁体，产生地磁场，其强度在地表是0.5高斯(2万分之一特斯拉)。东京大学的科学家开发的“电磁浓缩超强磁场发生装置”，制造出约是地磁的1200万倍的600特斯拉的超强磁场，这是当今世界室内制造出的最强磁场。科学家利用超强磁场揭示电子的潜在秘密。电子在磁场中进行着不停地旋转，具有“回旋加速运动”的性质。磁场越强，电子回旋加速运动的半径越小，最后电子将被囚禁在非常小的领域。例如，现在人们关注的纳米电子学，就是研究如何控制囚禁在纳米级的电子。这种电子性质唯有通过超强磁场实验进行研究。此外，科学家可以利用超强磁场模拟宇宙中物质的诞生。如中子星产生于1亿特斯拉的超强磁场，在强磁场的环境将有利于科学家进一步探索中子星的性质。

　　强磁场是现代前沿科学研究所必须进行的一项极端实验条件，物质的结构和状态在强磁场环境下都可能发生变化，呈现出多种的物理、化学现象和效应，因此，强磁场实验装置是凝聚态物理、原子和分子物理学、材料科学、化学和生命科学等诸多科学领域的基本研究工具，对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要作用。

　　

　　责任编辑　蒲　晖