唐·林肯是美國能源部費米實驗室的資深科學家，費米實驗室是美國最大的大型強子對撞機研究機構。他還為公眾撰寫科學文章，包括他最近的著作《大型強子對撞機：希格斯玻色子和其他讓你大開眼界的事物的非凡故事》（約翰·霍普金斯大學出版社，2014年）。您可以在Facebook上關注他。林肯為Space.com的專家之聲：評論與見解專欄撰寫了這篇文章。
一種優雅的武器……為了一個更文明的時代。
這是將近40年前雷射劍首次呈現在觀眾面前的方式。作為半神秘的絕地武士的標誌性武器，據說這種發光的劍刃為銀河共和國帶來了數千年的和平。對於1977年第一部《星球大戰》電影上映時接觸到這種武器的人來說，雷射劍特有的嗡嗡聲以及達斯·維德和歐比旺·克諾比之間的史詩般的戰鬥都深深地印在了這些觀眾的腦海中。
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製造雷射劍
鑑於《星球大戰》系列對社會的影響，公眾中有一部分人渴望製造雷射劍，甚至用它進行訓練，這是不可避免的。但是，什麼技術可以產生雷射劍呢？帶著這種願望，人們開始首次嘗試逆向工程這種裝置。在這種背景下，逆向工程是指思考如何製造它……而不是實際製造一個。然而，這項關於光子聚整合團的研究前段時間引起了廣泛關注。[現實生活中的人工智慧如何媲美《星球大戰》：通用翻譯器？]
如果有人能夠探索該裝置的效能，也許一些工程師可以將雷射劍變成下一個聖誕節熱門的“必備”禮物。
冒著粉碎一些讀者夢想的風險：請記住：“星球大戰”是科幻小說。但是，科學家們知道哪些理論上可以揭示如何製造雷射劍？
電影顯示，雷射劍是大約4英尺（1.2米）長的發光劍刃。它們顯然包含巨大的能量，可以快速熔化大量的金屬。這表明這些武器必須包含強大而緊湊的能量供應。它們可以毫不費力地切開肉體，但它們的劍柄不會熱到灼傷握劍的手。兩把雷射劍不會相互穿過，並且有不同顏色的閃爍劍刃。
考慮到名稱和外觀，第一個明顯的想法是雷射劍可能由某種雷射組成。然而，這個假設很容易被排除。雷射沒有固定的長度，正如您可以使用簡單的雷射筆確定的那樣。此外，除非光線以某種方式散射，否則雷射在穿過空氣時基本上是不可見的。這些特性都不符合雷射劍的描述。
等離子劍刃？
更現實的技術是等離子體。這種材料是透過剝離氣體原子中的電子而產生的，這個過程稱為電離。這種剝離會導致材料發光。等離子體是物質的第四種狀態，排在熟悉的固態、液態和氣態之後。您一生中都見過等離子體的例子。熒光燈的光芒是等離子體，霓虹燈也是。
那些等離子體看起來很酷，因為人們可以觸控燈管而不會燒焦手指。然而，等離子體通常相當熱，溫度約為數千度。但是，由於熒光燈管中氣體的密度非常低，即使溫度很高，總熱能也非常低。一個額外的複雜性是，等離子體中的電子比電子最初來自的電離原子具有更高的能量。例如，一杯咖啡（溫度低得多）中的熱能遠高於熒光燈中儲存的能量。
一些等離子體實際上可以產生相當大的熱量。這些被稱為等離子體炬。其原理與燈泡相同，但涉及更多的電流。製造等離子體炬的方法有很多種，但最簡單的一種是使用兩個電極和一種流動的材料，通常是氧氣、氮氣或類似的 gases。電極上的高壓電離氣體，將其轉化為等離子體。
由於等離子體具有導電性，它可以將大量的電流輸送到目標材料，使其升溫並熔化。雖然這種裝置被稱為等離子切割機，但它實際上是一種電弧切割機（或焊機），因為等離子體實際上充當導體，讓電流流過它。大多數等離子切割機在切割導電材料時效果最佳，因為該材料可以完成電路，並透過夾在目標上的電纜將電弧的電流送回切割裝置。甚至還有雙炬切割機，電力在兩個炬之間傳遞，允許使用者切割非導電材料。
因此，等離子體炬可以產生高溫區域，但其電氣特性存在問題，主要是因為需要大量的電流流動，而且雷射劍似乎沒有這種特性。
那麼，雷射劍僅僅是超高溫等離子管嗎？不一定，因為等離子體的作用有點像熱氣體，它會膨脹和冷卻，就像普通的火焰一樣（火焰通常也是等離子體，儘管是不完全的等離子體，從它發光的事實可以看出）。因此，如果等離子體是雷射劍的基礎技術，則需要將其控制住。
幸運的是，有一種機制可以做到這一點。等離子體由帶電粒子（有些速度非常高）組成，可以被磁場操縱。事實上，一些更有希望的核聚變研究技術使用磁場來控制等離子體。聚變等離子體中包含的溫度和總能量非常高，以至於它們會熔化金屬容器。
因此，這對雷射劍來說也是有希望的。強磁場，加上非常熱和高密度的等離子體，為製造雷射劍提供了一種可行的方法。但是，我們還沒有完成。
如果我們有兩個磁約束的等離子管，它們會直接穿過彼此……因此不會有史詩般的雷射劍決鬥。為此，我們需要找到一種方法為劍刃製造一個實心核心。構成核心的材料必須能夠承受高溫。
一種可能的材料是陶瓷，陶瓷可以在非常高的溫度下使用而不會熔化、軟化或變形。但是，實心陶瓷核心行不通：不使用時，雷射劍的劍柄會從絕地武士的腰帶上垂下來，劍柄可能只有8到10英寸（20到25釐米）長。因此，陶瓷核心必須像塑膠玩具雷射劍一樣從劍柄中彈出來。
原始力量
這就是我對如何製造雷射劍的最佳猜測，但即使是這種設計也存在問題。例如，在《星球大戰：第四集 - 新希望》中，歐比旺·克諾比在莫斯艾斯利的酒吧裡，用一次輕鬆的揮舞砍掉了外星人的手臂，就像達斯·維德切開歐比旺一樣。這給等離子體的溫度設定了一些嚴格的限制。（也許達斯·維德的那次切割不算數，因為歐比旺的身體消失了。顯然那裡發生了其他事情。）
在《星球大戰：第一集 - 幽靈的威脅》中，奎剛·金將他的雷射劍插入一個重型爆破門，首先切開一個長口子，然後簡單地熔化它。如果您觀看該片段，假設門是鋼製的，並計算加熱門並熔化金屬所需的時間，您可以計算出劍刃必須具有的能量。結果證明大約是20兆瓦（MW）。考慮到美國家庭平均功耗始終約為1.4千瓦（kW），雷射劍的功耗可以供14,000個普通美國家庭使用，直到電池耗盡。
這種密度的電源顯然超出了當前的技術水平，但也許我們可以承認絕地武士擁有先進的技術。畢竟，他們擁有超光速旅行。[《星球大戰與服裝的力量》展覽：畫廊]
然而，存在一個物理問題。那種功率意味著等離子體會非常熱，而且距離持劍者的手只有幾英寸遠。熱量以紅外輻射的形式輻射出來。絕地武士的手應該基本上瞬間被燒焦。因此，必須有某種力場來 удерживать 熱量。然而，劍刃似乎使用的是可見光波長，因此力場必須包含紅外輻射，但讓可見光透過。
這樣的技術調查不可避免地導致人們呼喚未知技術。但是，一旦您這樣做了，就很容易簡單地說雷射劍由儲存在力場中的某種濃縮能量組成。
這樣，它很容易類似於《星際迷航》系列的科技顧問邁克爾·奧庫達解釋使傳送器成為可能的新技術的方式。他說，這些是“海森堡補償器”，據說是用來糾正海森堡不確定性原理的問題。這是著名的量子力學原理，它指出您無法同時高精度地知道粒子的位置和運動。由於一個人是由大量粒子（即原子及其組成部分）組成的，如果您試圖掃描某人以弄清楚他們所有原子的位置，您將無法準確測量他們的位置和運動。因此，當您嘗試重建某人時，您將不知道將所有質子、中子和電子放在哪裡。在深刻而基本的物理層面上，海森堡不確定性原理表明傳送器是不可能的。當然，這並沒有阻止《星際迷航》的創作者。當《時代》雜誌問及這種裝置是如何工作時，他說：“非常好，謝謝。”
然而，同樣有趣的是，看看當前的科學可以多麼接近實現標誌性的科幻技術。就雷射劍而言，當今技術可以實現的最佳效果將是由磁場控制的等離子武器。它將具有一個陶瓷核心，該核心利用非常密集的電源，並採用阻止紅外線但不阻止可見光的力場。小菜一碟。
所以，既然我已經完成了艱苦的部分，即指定了所需的條件，那麼現在讓我轉向世界各地的工程師，告訴他們開始工作吧。我的意思是，這有多難呢？
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