為了這塊史上最強磁鐵,科學家不得不給實驗室換了一扇更牢固的門

2020-12-06 前瞻網

在東京市中心一個安全的房間裡有一塊磁鐵。它是一個電磁鐵，當電流流過它時，它會產生磁場。

上次操作它的科學家打開它的時候，它甚至吹開了實驗室沉重的門。

它已經產生了地球上最強烈的磁場之一。而且它還在變得越來越強大。

(圖：在最近的一次實驗中，Takeyama實驗室磁鐵打開時，火花四濺。圖源：Live Science)

這種磁場最近達到了1200特斯拉強度(一種磁性強度單位)。9月17日發表在《科學儀器評論》(journal Review of Scientific Instruments)雜誌上的一篇論文描述了這一現象。

1200特斯拉是一個巨大的計量單位。

大多數人一生中可能遇到的最強大的磁鐵是在核磁共振成像機裡，而世界上最先進、最強大、有時甚至是最危險的核磁共振成像儀器只有3特斯拉。

2004年，《大眾機械》雜誌將這臺機器描述為「世界上最強大的磁鐵」——也就是說，這是一種最強大的磁鐵，同時它不會把自己撕成碎片——它只釋放出45特斯拉。

這還不到第一作者竹山松次郎(Shojiro Takeyama)和他的同事們發明的磁鐵釋放的能量的4%。

而突破1000特斯拉的大關，是20世紀70年代Takeyama所稱的一項工程項目的一個重要裡程碑，他在過去20年裡一直領導這項工程。

為了達到這種強度，Takeyama和他的團隊將百萬焦耳的能量注入一個精密設計的小型電磁線圈中，線圈的內層會以15馬赫的速度自行崩潰，也就是每秒3英裡(5公裡)以上。

當它坍縮時，內部的磁場被擠壓到一個越來越緊的空間，直到它的力在達到特斯拉峰值，這在傳統磁體中是無法想像的。

幾秒鐘後，線圈完全崩潰，自我毀滅。

1200特斯拉的實驗需要3.2兆焦耳的能量。

但東京大學的物理學家Takeyama在接受Live Science採訪時表示，他相信，如果他和他的團隊在這臺設備上投入5兆焦耳的能量，他的設備可以達到1800特斯拉。

(他說，他們花了很長時間才做到這一點，部分原因是出於安全考慮。)

Takeyama說:「最相似的磁場產生是通過化學炸藥產生的。」他指的是從20世紀60年代開始，一直持續到2001年的實驗。當時，俄羅斯和美國的研究人員在電磁體周圍引爆炸藥，以擠壓它們，短暫地製造出非常強大的磁場——高達2800特斯拉。

他說:「他們不能在室內實驗室裡進行這些實驗，所以他們通常在室外進行所有的實驗，比如西伯利亞的田野或新墨西哥州洛斯阿拉莫斯一個非常廣闊的地方。」

「他們試圖進行科學測量，但由於這些條件，很難做出精確的測量。」

其他形式的超強磁場需要雷射，但Takeyama說，雷射產生的磁場很小，壽命也很短，即使以物理學標準來衡量也是如此，這使得他和他在東京大學的實驗室同事們感興趣的那些實驗同樣存在問題。

Takeyama說，在1000多特斯拉範圍內製造磁體的目的是研究在正常情況下不可見的電子的隱藏物理特性。

他和他的團隊將在磁鐵中加入不同的材料來研究電子的行為。

他說，在這些極端條件下，傳統的電子模型會崩潰。

Takeyama不知道在這種極端情況下電子會發生什麼，但他說，在線圈自毀之前對它們進行研究，應該能揭示科學通常看不見的電子的特性。

極強大的磁場也可能在聚變工程中應用，使聚變反應的熱等離子體遠離容器壁。

建立如此強大的磁場的問題在於，就像Takeyama的磁鐵那樣，它們幾乎，根據定義，在它們產生的瞬間就會自我毀滅。

磁場——以及產生磁場的過程——不可避免地會在產生磁場的設備上產生如此多的能量，以致於設備的某些部件會自行燒毀或崩潰。

Takeyama說，他的磁場的優勢在於，與雷射器或爆炸裝置產生的磁場相比，它的強度相對較強。

它足夠大，可以容納大量的材料，不需要炸藥，壽命只有幾十微秒(百萬分之一秒)。用人類的視角來看，這當然是很短的，但它比那些雷射產生的磁場的持續時間要長好幾倍。

而且，當線圈本身被破壞時，周圍的機器在這個過程中基本完好無損。

與在西伯利亞和洛斯阿拉莫斯進行的爆炸試驗相比，這種裝置是被控制住的，沒有破壞性。

不過，每次使用磁鐵後，Takeyama和他的團隊都必須進入房間，開始漫長而費力的清理和修理過程，他說。

他的研究團隊必須製造出一種新的磁感應線圈，以便每次使用時精確測量尺寸。

他說，實驗之間的通常等待時間大約是兩到五個月。

他說，對難以捉摸的聚變能發電機感興趣的外部研究人員對Takeyama的研究表示了興趣，認為這可能對他們的大型磁等離子體控制系統有用。

不過，他說，他不確定他的領域在這種情況下會有多大用處，這也不是他的主要目標。

他說，沿著這條路走下去，他預計會加大機器的功率，最終在5兆焦耳、1800特斯拉的範圍內達到最大。

但他表示，他並不急於達到這一目標。

首先，他和他的團隊希望在3.2兆焦耳、1200特斯拉的範圍內儘可能多地探索他們能學到的東西。

隨著能量的增加，安全問題依然存在。

他說，目前他的團隊為他的實驗室增加了一些更堅固的大門。

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