制造一把光剑需要什么样的电池

提到经典电影《星球大战》，你脑海中最先浮现的画面是什么？当然是光剑啦！很多人都热爱光剑，市面上也很容易找到仿制的光剑模型或玩具，甚至有光剑训练班。那么，要制造一把真实且可用的光剑，需要哪些条件呢？

本文将着重从基础物理角度探讨光剑的能量需求。光剑到底需要多少能量？怎样的电池才能满足能量需求呢？（先不讨论如何制造能够切割的光剑……）

首先，参考《星球大战前传 I：幽灵的威胁》中的一幕：奎刚・金（Qui-Gon Jinn）由连姆・尼森（Liam Neeson）饰演用光剑切开了星际贸易飞船上的一扇厚金属门。这简单的场景牵扯了不少物理知识，一起来分析吧。

功率与能量

在《星球大战 IV》中，达斯・维达（Darth Vader）有一句台词：“与原力相比，摧毁一颗星球所需的力量简直微不足道。”这里的力量指的其实是军事力量，而不是物理学中的功率，他提到的原力与物理学中的力也是不同的。在物理学中，功率有着明确的定义：能量使用或传递的速率。

我们用单位时间间隔（）内的单位能量间隔（）来表示。能量单位是焦耳，时间单位是秒，功率单位是瓦特。

为了让你更好理解能量和功率的大小，想象一下从地上捡起一本书放到桌子上。这个动作克服重力做功，需要约10焦耳的能量。无论花多长时间完成此动作，所需的能量保持不变，但功率会有所差异。如果用10秒提起书，功率是1瓦；若用1秒提起书，则功率是10瓦。相同能量，不同功率，明白了吧。

根据以上定义，只需找到一个能在特定时间内估算能量变化的事件，就能估算出光剑消耗的功率。在初始事件中——奎刚用光剑切开金属门的情景可派上用场。

热能与相变

为更好理解金属门被切开时的能量变化，接下来要讨论热能与相变的概念。日常生活中，加热一杯咖啡需提供能量，这种使咖啡变热的能量称为热能。物体（例如咖啡）的热能变化取决于物体的质量（  ）、温度变化（）和材料的比热容（  ）。

举例，若有300克咖啡（可看成水），将其从25摄氏度升温至100摄氏度，需约94000焦耳的能量，相当于提起书9400次！现在你对家中的咖啡机会更加敬畏吧？

但是，仅增加热能并不能完成金属门的融化过程，这还需考虑物质相变，即固→液的转变。相变所需能量取决于物体的质量（）和称为熔化潜热的属性。

拿融化冰块为最常见相变的例子，将1000克冰块融化成水需3.34×10⁵焦耳的能量，所以融化50克冰块需16700焦耳的能量。融化一扇金属门，需先使其加热至熔点，然后完成相变，总能量取决于金属的质量和类型。

估算光剑的功率

考虑了上述步骤后，开始估算切割金属门时光剑的输出功率。首先需要估计星际飞船门的材质。按现代科学标准，用于运送战斗机器人的巨大飞船最可能会选用铝，因其在重量和强度之间较好平衡。

幸运的是，我们对铝的性质了如指掌。它的密度为每立方米2700千克，熔点为660摄氏度，比热容为900焦耳每千克每摄氏度，熔化潜热为每千克3.96×10^5焦耳。（虽然数字看起来复杂，我们只需将其输入计算机运算即可。）

那么，融化的金属质量是多少呢？这是个值得思考的问题。在奎刚的第一次切割中，他切割的部分约长2米，尽管切割的宽度不确定，可先假设为1厘米，门的厚度约为5厘米。他贯穿整扇门，可估计融化金属总质量约为2.7千克。

现在，我们可以计算融化这些铝所需的总能量，包括使金属温度升高至熔点所需的能量和使其融化所需的能量。（若需用其他金属进行尝试，只需替换上述数字为相应材料的参数。）根据估算，融化这些金属需要大约260万焦耳的能量！显然，融化金属绝非易事。

最后一步是计算功率，只需确定融化这些金属的时间。通过视频分析软件，估计切割时间为11.5秒。这样计算得到光剑的功率输出为2.28×10^5瓦特，相当于305马力！这相当于一辆高功率汽车在您手中运行！

光剑所需的电池

或许光剑没有电池，在科技非常发达的电影背景下，可能会直接从某维度中获取能量，这也是有可能的，毕竟，光剑并非真实存在的（也无需担心）。不过，如果真有电池，那会是什么样的呢？什么样的电池才能支持光剑正常运行呢？

已经估算出光剑的输出功率。根据功率计算出其内部存储的总能量，再了解其单次充电可运行时长。在《星球大战》系列电影中，光剑从未出现耗尽电量或需要插电充电的情形，说明其电池寿命应该非常长。

假设光剑可连续运行10小时（非常保守的估计）。那么，光剑功率为2.28×10^5瓦特时，10小时运行所需的总能量为8.2×10^9焦耳！这相当于提起书8.2亿次！

我们是否能利用像手机电池那样的锂离子电池储存这么多的能量？这些锂离子电池的能量密度为每立方米2.5×10^9焦耳，根据我们之前计算的估算，锂离子电池约需3.3立方米容量来储存光剑所需的能量！也就是说，电池体积可能相当于一根直径1米、长度4米的柱子，就像挥舞着一根大树或电线杆在战斗中。

或许之前对电池运行时间的估计存在偏差，但可以根据电影中光剑的尺寸来估算相应规模的锂离子电池支持光剑的运行时长。若设光剑手柄长度为13厘米，直径为6厘米，体积约为367立方厘米，占之前电池体积估算的0.01%，按比例缩小，这样的光剑电池可能只支持一次运行4秒。在战斗中，电池耐用性较强者获胜。

显然，锂离子电池不适用于光剑。要达到光剑的理想运行时间，我们需要的电池能量密度达到每立方米2.23×10¹³焦耳（或每升2.23×10^4兆焦耳）。据现有能量密度材料表，唯一可能的选择是某种核电池或反物质电池。反物质电池复杂但可能实现，超级酷。

上述从基础物理角度详细探讨了制造光剑所需的电池技术。制造并量产这种光剑目前存在较大难题，需要解决多项技术问题，不仅是电池，还有其他挑战。但笔者相信，随着科学家们不懈努力，有朝一日光剑将问世。最后，用《星球大战》中的名言结束：“愿原力与你同在！”

作者：Rhett Allain

翻译：凉渐

审校：7 号机

原文链接：What Kind of Battery Would You Need to Power a Lightsaber?

本文来自微信公众号：微信公众号（ID：null），作者：Rhett Allain

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