科學在極限環境下

能夠制造出比鉆石還硬的物質嗎？只要壓力、重力、磁場三個方面達到目前世界最高水平的極限環境，即大氣壓400萬倍的超高壓，達到地上重力100萬倍超重力，以及地磁1 200萬倍的超強磁場，或許一切皆有可能。

比鉆石更堅硬

地表的物質受大氣的壓力，其大小是地面為1個大氣壓（1.01×105帕），在珠穆朗瑪峰頂上是0.3個大氣壓。另一方面，從地球之中來看，海底的最深處（約11 000米）的水壓約1 000個大氣壓，地幔中心可達到360萬個大氣壓。

目前，日本科學家設計一種叫“二級氫氣槍沖擊壓縮合成裝置”，可制造出超過地球中心壓力達400萬個大氣壓的超高壓狀態，這是目前世界上最高水平的超高壓狀態。在這種高壓環境下，鉆石的大小將被壓縮到只有原來的70%左右。

現在，世界上還沒有制造出比鉆石更硬的物質。但是，鉆石至多是在10萬個大氣壓下制造出來的，如果在更高氣壓下，有可能制造出比鉆石更硬的物質。

專家認為，不限于鉆石，一切物質如果置身在極限的超高壓下，都會具有金屬的特性。這是因為物質中的原子間距離由于高壓而縮小，結果圍繞各原子高速旋轉的電子能夠在物質中自由活動。這樣，在某個高壓條件下，有些物質或許能夠產生具有像半導體或超導體那樣的新性質。科學家研究的目的就是探索在這樣超高壓條件下是否可能制造出新的物質。

沖擊制造高壓

400萬個大氣壓的超高壓狀態是用像步槍子彈那樣的所謂飛行體，經2級氫氣槍加速，撞擊試樣制造出來的。所謂2級氫氣槍，最初是火藥在火藥室爆炸產生推力，這個力推動壓縮管內的活塞，壓縮氫氣。被壓縮的氫氣猛烈沖擊安在發射管內質量為10~15克的飛行體，使飛行體以6千米/秒的速度沖撞放在試樣室的試樣，從而使撞擊時，產生400萬個大氣壓的超高壓，整個實驗過程發生在10毫秒以內。

研究發現，一旦飛行體撞上試樣，其沖擊力觸及的部分引起原子數增加，結果是物質內部瞬間被原子塞滿，產生超高壓狀態。實現400萬個大氣壓的超高壓狀態時間約為1×10-6秒，這期間試樣的溫度上升到7 000oC。

專家已成功用超高壓制造出新的陶瓷——立方晶氮化硅，其密度比普通的氮化硅密度高1.3倍左右。雖說硬度上沒有鉆石大，但有相當大的提高。而且，專家還在分析，是否還有其他新的理化性質產生。

揭開隕石之謎

大家知道，大多數隕石都不含有水分。對于隕石為什么不含有水？專家之間爭論不休。一種觀點認為，隕石從太空落下期間，由于與大氣摩擦導致水分完全消失了。另一種觀點則認為，隕石原本就不含水分。對此，科學家利用二級氫氣槍進行沖撞實驗來研究隕石形成之謎。通過實驗獲知宇宙中的隕石碰撞也會失去水分。即原來含水的隕石由于碰撞失去水分，所以它落到地球不含水分也合乎情理。但是，隕石到底會不會含水分，迄今為止尚不清楚，還有待現在還在運行的“隼”小行星探測器，如果它能帶些試樣回來，也許這個問題會有個了斷。

超重發現新物質

地面的一切物質因重力而被拽向地球。假定離地面約5米高的物體靜靜地下落，空氣阻力完全忽視的情形下約1秒鐘落到地面。

假定在地球上的重力為1，目前科學家研制出的“超重力場發生裝置”已經制造出是其100萬倍的世界上最大的重力場。在這個超重力場環境下，如果進行與本段開頭相同的下落實驗，物體將在1×10-3秒內落地。這也超過了白矮星附近的重力場，（白矮星的重力場至多是地球重力場的10萬倍左右）。

科學家指出，重力與氣體的壓力不同，重力只在一個方向上起作用，而且獨立作用于構成物質的一個個原子上。為此，在地面重力100萬倍的超重力場下，會引起合金等固體物質內部的重原子比輕原子更快落下的獨特現象。

大家知道，如果在杯中放入泥水，不久杯底就會有泥沉淀出來。如果重力的大小是地球的1萬倍，則眼睛看不見的1微米（1×10-3毫米）以下的物質開始沉淀落下。如果重力是地球的100萬倍，則甭說液體，連固體中的原子位置也發生改變。其結果有可能誕生全新組成或結構的新物質。

離心制造重力場

科學家開發的裝置其實是一臺每分鐘19萬轉的超級離心機，由超級離心機產生的離心力制造出超重力場。實驗過程是這樣的，首先將試樣密封在稱之旋轉體的內部，然后使旋轉體以每秒約500轉的增速不斷提升，經過約10分鐘后試樣就處在超重力場狀態下。

這個裝置能夠將超重力場狀態穩定保持100小時以上。另外，如果采用輻射方法對試樣加熱，溫度可達到500oC。在超重力和高溫狀態下，使原子慢慢地沉降（移動）后，再將物質的溫度降到常溫，有可能把物質偏畸的結構固定下來。

實際上，現代生物化學等領域使用的離心機的離心力已經達到地球重力的80萬倍左右。但是由于這些裝置主要是在室溫下，以液體中的物質分離為目的，所以還不至于使固體內的原子移動。

控制原子配置

科學實驗已經證實，將銦與鉛組成的合金加上超重力場后，兩種原子偏向重力方向的程度會不一樣。銦的原子量115，鉛是207。結果是更重的鉛原子在超重力下“沉降”，鉛集中在這個合金內部的“下側”（在超重力下物體墜落的方向）。反之，越到“上側”鉛的濃度越小，而銦的濃度卻連續地上升。再者，它的晶體結構在下側與上側不一樣。

科技人員指出，在合金或化合物等由多種原子構成的物質中，各種原子起到了一樣的作用。但是超重力場具有巨大的能量，如果能夠很好地利用，也許可以用它來控制物質內的原子配置或物質的摻雜。隨著研究的進展，在納米級（1×10-9米）控制原子，制造組成不同的物質，或者控制分子級的結構，制造分子排列一致的物質也是可能

的。通過世界上獨一無二的超重力場研究，或許可以誕生高性能半導體、超級塑料等。

揭開電子性質

眾所周知，羅盤的指針能顯示地球的南北方向，這是因為地球像一塊大的磁鐵。目前，研究人員開發的“電磁濃縮超強磁場發生裝置”，制造出了相當于地表磁場強度1 200萬倍的600特斯拉超強磁場，是當今世界室內制造出的最強磁場。

人們在化學研究中發現，決定物質性質的是物質中的電子。而磁場是用來了解電子性質的一個重要手段，磁場越強，越能夠揭露出電子潛在的性質。電子具有在磁場中不停地“回旋加速運動”的性質。用說明微觀世界的“量子力學”研究電子那樣小的粒子，結果發現磁場越強，回轉加速運動的半徑越小，電子被囚禁在小的領域。例如現在關注的納米電子學，如何控制囚禁在納米級的電子成為關鍵。這種電子性質惟有在更強的磁場中才能夠進行研究。

另外，超強磁場實驗還能為磁懸浮列車或高溫超導體（在較高溫度下電阻為零的物質）的應用提供必要的驗證。研究人員認為，只要有電流流動必然產生磁場，但是超導體的超導現象在強磁場下會遭到破壞，所以通過電流的大小有界限，這是非常重要的。

電流濃縮磁場

實際上制造超強磁場，首先在環狀初級線圈的內側，插入同樣環狀的稱之襯套的金屬，在線圈與襯套之間通過3特斯拉的磁場，在這個狀態下初級線圈流過4兆安的大電流。按電磁感應定律，在襯套中將流過與初級線圈反向的電流。電流的反向流動因產生反作用力使初級線圈向外擴張，反之，襯套將向內收縮。于是，原先的磁場被濃縮，在環中心產生了600特斯拉的超強磁場。這個超強磁場產生的時間約59微秒，非常短。必須在這期間進行各種測量。

另外，超過100特斯拉的磁場，不管用如何堅固的物質制造的線圈，都要受到破壞，所以進行超強磁場實驗是以破壞為前提的。進行強磁場研究，也可用100特斯拉以下的磁場進行“非破壞性型”的實驗。但是，為查明高溫超導現象遭破壞的磁場到底是多少，專家用了約220特斯拉的磁場，這是不做破壞型超強磁場實驗所不知道的。

中子星是研究對象

在超強磁場下物質的研究也可用來調查遠在宇宙彼岸發生的現象。中子星據稱能產生1億特斯拉的超強磁場。理論上預測，在這樣強的磁場環境下，氫原子的電子軌道形狀在磁場方向變成瘦長形；另外，這些氫原子也將呈現像念珠那樣串起來的狀態。

研究人員用半導體中的電子，捕捉到了這種在通常情況下不存在的電子模樣。迄今為止，在強磁場下已相繼揭開了一些物質以往未知的性質。近年來，強磁場已成為科學家關注的熱門領域。