科学故事 | 太赫兹：电磁波家族的“黑马”

本领高强的“大侦探”

海关查验区，来自境外的包裹堆积如山。一只海关工作犬在其中敏捷地跳跃穿行，这儿闻闻、那儿嗅嗅，寻找可疑的包裹。

“汪！汪！”忽然，工作犬对着传输带上的一个包裹吠叫起来，好像在对工作人员说：“发现目标！”

此时，安检仪的成像显示，这个包裹里藏有一包白色粉末。这粉末会是什么？是炸药、白糖还是毒品？

你是不是想说，打开看看就知道了？可万一这些粉末是炸药，打开时被引爆了，后果不堪设想。

怎么办呢？

这时，工作人员请出了“大侦探”，“大侦探”有一双透视眼！对，就像孙悟空的火眼金睛一样，一眼就能识别妖魔鬼怪。

只见它的透视眼发出的电磁波穿透包裹，仔细分析粉末成分，很快便找到了真相。原来，白色粉末竟是毒品！

多亏了“大侦探”的透视眼！立大功了！

你以为它只能帮助海关查验包裹？不，它的本领远不止于此。

想象一下，在战火纷飞的战场，战士的视野受到遮蔽，无法辨别敌军的方向。这时太赫兹前来相助，轻而易举地看清草丛中伪装的敌军、掩体后隐藏的武器和受到遮障的坦克、火炮等装备。

再想象一下，在未来，你要参加一场会议，但临时有事去不了，怎么办？别急，太赫兹也能帮忙。它可以把你的全息图传输到会议室，你在这儿说话，会议室里的全息影像也跟着开口说话，就跟你亲自参加一样。

说太赫兹多才多艺，不过分吧？

太赫兹是电磁波家族的“黑马”，被称为改变未来世界的十大技术之一，它本领高强，却难以被生产和应用，真是怀才不遇呀！

什么，你问我是谁？

电磁波家族的“流浪儿”

太赫兹为什么难以被生产和应用呢？

这要从电磁波家族说起，太赫兹正是其中的一员。

什么是电磁波？

电磁波是一种看不见、摸不着，但可以传递各种信息的特殊物质。它是由变化的电流产生的，就像木杆击打水面，会形成水波；敲击大鼓，鼓面振动产生声波一样。

电磁波就像空气，弥漫在我们身边。早上，你睁开眼，看到了光，光是电磁波；你把一杯牛奶放到微波炉里加热，微波也是电磁波；你跟着爸爸妈妈坐车，打开广播听故事，收音机调频也是电磁波；生病去医院，医生给我们拍CT，X光透过我们的身体，找到身体哪里有问题，靠的还是电磁波。甚至我们人体，也都带有电磁波。

电磁波是个庞大的家族，人们把这个大家族叫作电磁波谱。

▲电磁波谱

无线电波的个子很高，住在“大人国”。其中，个子最高的是超长波，它的身高在一万米到十万米之间。

红外线住在“小人国”，不过，它的个子是小人国里最高的。个子最矮的是γ射线，它的身高只有一亿分之一厘米。

就这样，太赫兹成了电磁波家族的流浪儿，漂泊在外。

太赫兹世界新纪录的诞生‍‍‍‍‍‍

科学家难以创造出太赫兹，它是至今还未被人类完全开发和利用的电磁频段。

你是否好奇，太赫兹到底是如何被生产的？

生产太赫兹的过程，有点儿像发明电灯泡的进程。

在爱迪生发明灯泡之前，古人用植物油脂、石蜡、煤油作为燃料。工业时代，电被广泛应用，电灯应运而生。

灯发光需要燃料，太赫兹的生产也需要原料，这个原料就是激光。

我用实验室里面能够找到的各种激光器，研究了激光对太赫兹产生效率的影响。

爱迪生发明灯泡时，为了找到一种合适的灯丝材料，先后试了1600多种材料，最后才选定用竹子烧成碳丝作灯丝。灯丝作为媒介可以将电能转化为光能。

可是，电磁波谱很长，电磁波家族很庞大，一不小心就进入“小人国”或“大人国”了，为了“抓住”漂泊的太赫兹，就得不停地优化和调试。

哦！好不容易找到太赫兹了，可是，这太赫兹看起来“营养不良”啊，就像灯泡发出肉眼都瞧不见的微弱光芒。

如果加大电的输入，灯泡会不会更亮呢？

于是，我提高了激光器能量。

就像灯丝受到损耗一般，铌酸锂晶体里的其他效应也被激发了出来，太赫兹的能量更弱了。

哎，真是难办啊！

我小心翼翼，拼尽全力，争取把每一项都做到最好。

功夫不负有心人。

太赫兹不再微弱，就像灯泡发出了明亮的光芒。

攻克太赫兹的新征途 ‍‍‍‍‍‍

人类社会在不断进步和发展。

比如，爱迪生发明灯泡后，电灯就在不断地更新换代，从白炽灯、日光灯，到琳琅满目的装饰灯、节能灯。

我决定为自己设置更大的障碍，去征服更高的山峰，我的目标是让太赫兹的输出达到100毫焦耳！

可是，前方是一片未曾开拓的艰难道路，当我按照原来的方法，爬到三分之一的时候，却发现无路可走了。

整整一个半月，只能在原地徘徊。

哪里出了问题？

这就是我的极限了吗？

这就是铌酸锂太赫兹强源的天花板了吗？

我不断地扪心自问，反复思考实验的过程、遇到的问题，不论是在跑步、吃饭还是睡觉时，真是日思夜想、废寝忘食。

有时候，灵感会突然从脑海蹦出来。

▲生产太赫兹的仪器

真是梦里寻他千百度，蓦然回首，答案就在灯火阑珊处。

发现问题，往往比解决问题更难。只要发现问题，就可以针对问题想解决的方法。

好奇心：打开科学之门的“金钥匙”

我从2013年开始研究太赫兹，至今已有10个年头。

夏日的夜晚，微风习习，我坐在竹椅上乘凉，望着满天繁星，陷入疑惑：天上为什么会有那么多的星星？它们是什么物质，为什么会发光？有没有像地球的星星？咦？有颗星星一闪一闪，好像在动哎，那里有外星人吗？

太阳为什么东升西落？月亮为什么阴晴圆缺？

为什么有时候，在同一片天空，既能看到月亮，又能看到太阳？

小小的我，有大大的疑惑，对万事万物充满了好奇。

常怀好奇之心，大概是打开科学大门的金钥匙。我有幸拿到了这把钥匙。

其次，要有勇气去挑战困难。

[美]乔治·伽莫夫/著 

[美]乔治·伽莫夫/著

中国科学技术大学出版社

中国科学技术大学出版社

审校/《科学故事会》编辑部