科學也可以如此靠近

把每年40000億元的軍費來搞科研會有那些驚人突破?


博科園【博科園-科學科普】相比軍費,科研投入每年只是零頭,然而在科研投入美國也算是全球每年投入最多的國家,但也只是億美元左右,對比下來,其他國家的科研投入可真的不耐看……美國在軍費開支上的花費超過了其他個國家的總和:估計每年有億美元(約合億人民幣)。與此同時,...

- 2018年1月08日02時51分
- 【博科園】

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博科園-科學科普相比軍費,科研投入每年只是零頭,然而在科研投入美國也算是全球每年投入最多的國家,但也只是250億美元左右,對比下來,其他國家的科研投入可真的不耐看……美國在軍費開支上的花費超過了其他10個國家的總和:估計每年有6000億美元(約合40000億人民幣)。與此同時,NASA和美國國家科學基金會(National

Science Foundation)的全部預算合計只有250億美元,相當於軍事預算的4%。許多天文學家、天體物理學家、工程師和科學家們都夢想著能給他們的預算帶來溫和增長的好處,但這些都是微小的、漸進的夢想。

這個聚變反應堆中心的等離子體非常熱,沒有發射光;只有較冷的等離子體位於可以看到的牆壁上。可以看到熱和冷等離子體之間的磁性相互作用。圖片版權:National Fusion Research Institute, Korea

如果我們真的達到了這樣的目標呢?如果我們夢想有一天,在戰爭、國防和軍隊方面投入了和平研究以造福人類,如果空間和科學預算達到了6000億美元,或者替代了在軍事上的花費,那麼我們所能完成的將是巨大的。這裡有五種可能性,僅僅是一年的軍事水平的支出我們可以做到!

TOP1、最終的能源突破:一個能源生產的核聚變反應堆

一種基於磁約束等離子體的聚變裝置。熱核聚變在科學上是有效的,但還沒有達到實際運用的地步。突破版權:PPPL management, Princeton University, the Department of Energy, from the FIRE project

雖然我們有多種不同的方法來實現核聚變,但最有希望的途徑是通過磁約束。一個國際財團,稱為ITER,早在Reagan-Gorbachev時代開始和建築最終將在2019年完成,總投資約200億€。在此之後,再過十年,等離子體的運行就會成功,到本世紀30年代,它就能突破衡點,將氘和氚融合在一起。

然而,從許多方面來說,阻止核聚變能量在當今世界滲透的唯一因素是這種預先投資,其長期回報令人難以置信。在僅僅一年的軍事預算中,我們不僅可以實現核聚變,還可以學習如何擴大其規模,徹底改變我們在地球上處理能源和能源的方式。它是能量的終極聖杯,它成功的最大障礙不是物理學,而是缺乏投資。

TOP2、在火星上建立至少有四個獨立的人類基地

火星,以及它稀薄的大氣層,就像上世紀70年代在維京人造衛星上拍攝的那樣。即使是生活在紅色星球上是困難的,一個成功的人類群體也可以達到500億美元。圖片:NASA/Viking 1

人類能在火星上嗎?唯一阻礙我們的是資金,自上世紀90年代以來,這一直是事實。經過10年的持續投資,總投資在50到1500億美元之間,我們可以在火星上建立一堆的設備,入住一群人,他們將在6到18個月後返回家園。即使在最大限度的時候也可以在另一個星球上建立四個獨立的獨立的殖民地,僅花費一年的軍事開支。目前還沒有這麼做的唯一原因是資金。

TOP3、每一個美國家庭擁有2000瓦太陽能發電系統

兩名工人在紐約波基普西附近的屋頂上安裝傾斜的光伏陣列。一個小型的,2kw的安裝,現在可以在商業上使用5000美元。圖片版權:Wikimedia Commons user Lucas Braun

有許多革命性的技術正裝備太陽能,從透明的窗戶到瓦片到牆板。但最便宜、最高效的太陽能技術仍然是太陽能電池板。大約2000瓦的系統現在在5000美元以下,每月提供175 - 375千瓦時。在美國大約有1.25億家庭,6000億美元的預算可以為每個家庭提供一個這樣的系統,美國人平均每月使用920千瓦時。

它不會解決我們的能源需求,但它將顯著減少電網的負擔,並大幅削減我們的化石燃料消耗。它會立即生效,或者至少是儘快地生產出許多太陽能電池板。

TOP4、能建造粒子加速器是LHC的40倍

一個假設的新加速器,要麼是一個長線性的加速器,要麼是環繞地球的一個加速器,可能會使LHC的能量相形見絀。即使那樣,也不能保證我們會發現新的東西。圖片版權:ILC collaboration

你認為LHC很有趣?在一個長達27公里的地下隧道里,它在14 TeV的能量中實現了質子-質子碰撞,而它的花費是100億美元左右。我們可以用60倍的錢來做什麼呢?只有兩個自由的參數決定了的圓形加速器能讓質子走多高的能量——用來引導它們的電磁鐵的強度和環的周長。

6000億美元,我們可以建造一個大約1000公里的隧道,並實現質子對質子碰撞超過500 TeV。如果電磁鐵技術繼續進步,可能最終會突破PeV(1 PeV = 1000 TeV)的邊界。從這個大環上第一個步驟是一個「Fermitron」,首先是由Enrico

Fermi所設想的,一個粒子加速器的整個地球的周長。如果大型強子對撞機發現了希格斯玻色子之外的任何新事物,就會有一個強有力的科學理論來研究來前沿的下一個層次。

TOP5、超過今天100倍的「超級哈勃」

對同一部分天空的模擬觀測,同樣的觀測時間,用哈勃(L)和LUVOIR(R),兩者之間的差別是驚人的,而這僅僅是為了增加一個40倍的光聚集能量。圖片版權:G. Snyder, STScI /M. Postman, STScI

哈勃太空望遠鏡是一個革命性的天文台,在許多方面仍然是天文學和天體物理學領域的頂級。但直徑只有2.4米,它已經達到了最大解析度。事實上要看到十倍於暗淡的物體,它需要觀察它們100倍的時間!但是如果我們建造一個10倍直徑的太空望遠鏡,在24米,它不僅會有10倍的解析度,而且會在2小時內看到哈勃在一周內觀察到的東西。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,它的分割設計,遮陽,自動化,機器人技術可以作為這樣一個任務的概念,但是限制因素是資金。要想使像這樣的龐然大物成為可能,需要大量的投資,才能獲得尺寸、圖像質量和發射和服務能力。對於6000億美元,我們也許能讓它的直徑達到30 -

40米,但是「比哈勃強大100倍」是一個非常保守的估計。我們所開發的技術對於人類來說就像阿波羅計劃里的任何東西一樣具有革命性。

一個人類在火星上的殖民地可能看起來是什麼樣子?即使是在廉價的情況下。圖片版權:Mars One (rendering)

當然,在很大程度上還不到6000億美元,可以立即對其中的每一項做出特別的貢獻。國際熱核實驗反應堆ITER目前仍在建設中,預計總費用將在其有效之年全部花費400億美元,這將延續到本世紀30年代。在火星表面進行的一次載人飛行任務,只需花費500億美元就能負責任地完成,包括火星表面的大規模基礎設施建設。2千瓦的屋頂太陽能裝置在商業上的售價低於5000美元,而且每個月的電費都可以減少25%。「更小」的超級對撞機的成本估計在20

- 400億美元之間,而且它的能量水平將比LHC大很多倍。而LUVOIR,最雄心勃勃的太空望遠鏡計劃,是哈勃望遠鏡的40倍,很可能會下降到150億美元的範圍。

LUVOIR太空望遠鏡的概念設計將把它放在L2拉格朗日點,一個15.1米的主鏡將展開並開始觀察宇宙,給我們帶來數不清的科學和天文財富。圖片版權:NASA / LUVOIR concept team; Serge Brunier (background)

實現我們的科學夢想的成本確實很高,但回報甚至更大。在僅僅一代人的時間裡,這種規模的科技投資就能以一種我們從未見過的方式改變我們的世界。僅僅一年的軍事預算——高達6000億美元——可能會使我們在未來25年的太空投資和基礎科學研究增加一倍以上。這將不僅僅是讓美國再次偉大。它將使世界以一種其他任何事物都無法做到的偉大——以一種人類從未見過的方式。

知識:科學無國界,博科園-科學科普

作者:Ethan Siegel(天體物理學家)

來自:Forbes science

編譯:卿君側

審校:博科園


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