唐·林肯是美国能源部费米实验室的资深科学家，费米实验室是美国最大的大型强子对撞机研究机构。他还为公众撰写科学文章，包括他最近的著作《大型强子对撞机：希格斯玻色子和其他让你大开眼界的事物的非凡故事》（约翰·霍普金斯大学出版社，2014年）。您可以在Facebook上关注他。林肯为Space.com的专家之声：评论与见解专栏撰写了这篇文章。
一种优雅的武器……为了一个更文明的时代。
这是将近40年前激光剑首次呈现在观众面前的方式。作为半神秘的绝地武士的标志性武器，据说这种发光的剑刃为银河共和国带来了数千年的和平。对于1977年第一部《星球大战》电影上映时接触到这种武器的人来说，激光剑特有的嗡嗡声以及达斯·维德和欧比旺·克诺比之间的史诗般的战斗都深深地印在了这些观众的脑海中。
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制造激光剑
鉴于《星球大战》系列对社会的影响，公众中有一部分人渴望制造激光剑，甚至用它进行训练，这是不可避免的。但是，什么技术可以产生激光剑呢？带着这种愿望，人们开始首次尝试逆向工程这种设备。在这种背景下，逆向工程是指思考如何制造它……而不是实际制造一个。然而，这项关于光子聚集成团的研究前段时间引起了广泛关注。[现实生活中的人工智能如何媲美《星球大战》：通用翻译器？]
如果有人能够探索该设备的性能，也许一些工程师可以将激光剑变成下一个圣诞节热门的“必备”礼物。
冒着粉碎一些读者梦想的风险：请记住：“星球大战”是科幻小说。但是，科学家们知道哪些理论上可以揭示如何制造激光剑？
电影显示，激光剑是大约4英尺（1.2米）长的发光剑刃。它们显然包含巨大的能量，可以快速熔化大量的金属。这表明这些武器必须包含强大而紧凑的能量供应。它们可以毫不费力地切开肉体，但它们的剑柄不会热到灼伤握剑的手。两把激光剑不会相互穿过，并且有不同颜色的闪烁剑刃。
考虑到名称和外观，第一个明显的想法是激光剑可能由某种激光组成。然而，这个假设很容易被排除。激光没有固定的长度，正如您可以使用简单的激光笔确定的那样。此外，除非光线以某种方式散射，否则激光在穿过空气时基本上是不可见的。这些特性都不符合激光剑的描述。
等离子剑刃？
更现实的技术是等离子体。这种材料是通过剥离气体原子中的电子而产生的，这个过程称为电离。这种剥离会导致材料发光。等离子体是物质的第四种状态，排在熟悉的固态、液态和气态之后。您一生中都见过等离子体的例子。荧光灯的光芒是等离子体，霓虹灯也是。
那些等离子体看起来很酷，因为人们可以触摸灯管而不会烧焦手指。然而，等离子体通常相当热，温度约为数千度。但是，由于荧光灯管中气体的密度非常低，即使温度很高，总热能也非常低。一个额外的复杂性是，等离子体中的电子比电子最初来自的电离原子具有更高的能量。例如，一杯咖啡（温度低得多）中的热能远高于荧光灯中储存的能量。
一些等离子体实际上可以产生相当大的热量。这些被称为等离子体炬。其原理与灯泡相同，但涉及更多的电流。制造等离子体炬的方法有很多种，但最简单的一种是使用两个电极和一种流动的材料，通常是氧气、氮气或类似的 gases。电极上的高压电离气体，将其转化为等离子体。
由于等离子体具有导电性，它可以将大量的电流输送到目标材料，使其升温并熔化。虽然这种装置被称为等离子切割机，但它实际上是一种电弧切割机（或焊机），因为等离子体实际上充当导体，让电流流过它。大多数等离子切割机在切割导电材料时效果最佳，因为该材料可以完成电路，并通过夹在目标上的电缆将电弧的电流送回切割装置。甚至还有双炬切割机，电力在两个炬之间传递，允许用户切割非导电材料。
因此，等离子体炬可以产生高温区域，但其电气特性存在问题，主要是因为需要大量的电流流动，而且激光剑似乎没有这种特性。
那么，激光剑仅仅是超高温等离子管吗？不一定，因为等离子体的作用有点像热气体，它会膨胀和冷却，就像普通的火焰一样（火焰通常也是等离子体，尽管是不完全的等离子体，从它发光的事实可以看出）。因此，如果等离子体是激光剑的基础技术，则需要将其控制住。
幸运的是，有一种机制可以做到这一点。等离子体由带电粒子（有些速度非常高）组成，可以被磁场操纵。事实上，一些更有希望的核聚变研究技术使用磁场来控制等离子体。聚变等离子体中包含的温度和总能量非常高，以至于它们会熔化金属容器。
因此，这对激光剑来说也是有希望的。强磁场，加上非常热和高密度的等离子体，为制造激光剑提供了一种可行的方法。但是，我们还没有完成。
如果我们有两个磁约束的等离子管，它们会直接穿过彼此……因此不会有史诗般的激光剑决斗。为此，我们需要找到一种方法为剑刃制造一个实心核心。构成核心的材料必须能够承受高温。
一种可能的材料是陶瓷，陶瓷可以在非常高的温度下使用而不会熔化、软化或变形。但是，实心陶瓷核心行不通：不使用时，激光剑的剑柄会从绝地武士的腰带上垂下来，剑柄可能只有8到10英寸（20到25厘米）长。因此，陶瓷核心必须像塑料玩具激光剑一样从剑柄中弹出来。
原始力量
这就是我对如何制造激光剑的最佳猜测，但即使是这种设计也存在问题。例如，在《星球大战：第四集 - 新希望》中，欧比旺·克诺比在莫斯艾斯利的酒吧里，用一次轻松的挥舞砍掉了外星人的手臂，就像达斯·维德切开欧比旺一样。这给等离子体的温度设定了一些严格的限制。（也许达斯·维德的那次切割不算数，因为欧比旺的身体消失了。显然那里发生了其他事情。）
在《星球大战：第一集 - 幽灵的威胁》中，奎刚·金将他的激光剑插入一个重型爆破门，首先切开一个长口子，然后简单地熔化它。如果您观看该片段，假设门是钢制的，并计算加热门并熔化金属所需的时间，您可以计算出剑刃必须具有的能量。结果证明大约是20兆瓦（MW）。考虑到美国家庭平均功耗始终约为1.4千瓦（kW），激光剑的功耗可以供14,000个普通美国家庭使用，直到电池耗尽。
这种密度的电源显然超出了当前的技术水平，但也许我们可以承认绝地武士拥有先进的技术。毕竟，他们拥有超光速旅行。[《星球大战与服装的力量》展览：画廊]
然而，存在一个物理问题。那种功率意味着等离子体会非常热，而且距离持剑者的手只有几英寸远。热量以红外辐射的形式辐射出来。绝地武士的手应该基本上瞬间被烧焦。因此，必须有某种力场来 удерживать 热量。然而，剑刃似乎使用的是可见光波长，因此力场必须包含红外辐射，但让可见光通过。
这样的技术调查不可避免地导致人们呼唤未知技术。但是，一旦您这样做了，就很容易简单地说激光剑由存储在力场中的某种浓缩能量组成。
这样，它很容易类似于《星际迷航》系列的科技顾问迈克尔·奥库达解释使传送器成为可能的新技术的方式。他说，这些是“海森堡补偿器”，据说是用来纠正海森堡不确定性原理的问题。这是著名的量子力学原理，它指出您无法同时高精度地知道粒子的位置和运动。由于一个人是由大量粒子（即原子及其组成部分）组成的，如果您试图扫描某人以弄清楚他们所有原子的位置，您将无法准确测量他们的位置和运动。因此，当您尝试重建某人时，您将不知道将所有质子、中子和电子放在哪里。在深刻而基本的物理层面上，海森堡不确定性原理表明传送器是不可能的。当然，这并没有阻止《星际迷航》的创作者。当《时代》杂志问及这种设备是如何工作时，他说：“非常好，谢谢。”
然而，同样有趣的是，看看当前的科学可以多么接近实现标志性的科幻技术。就激光剑而言，当今技术可以实现的最佳效果将是由磁场控制的等离子武器。它将具有一个陶瓷核心，该核心利用非常密集的电源，并采用阻止红外线但不阻止可见光的力场。小菜一碟。
所以，既然我已经完成了艰苦的部分，即指定了所需的条件，那么现在让我转向世界各地的工程师，告诉他们开始工作吧。我的意思是，这有多难呢？
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