光劍，圖源freepik
當你想到 經典電影【星際大戰】 時，最先浮現在腦海中的畫面是什麽？當然是 光劍 吧！相信許多人都喜歡光劍，我們在平時可以很容易買到仿制的光劍模型或玩具，甚至有些地方還開設了光劍訓練班。但要是 制造一把真實且能用的光劍需要什麽樣的條件呢 ？
本文將從基礎物理上重點討論一下 光劍的能量需求 。它到底 需要多少能量 ？ 什麽樣的電池能滿足它的能量需求 ？（至於如何制造一個能切割東西的光劍……我們先暫時不討論這個。）
為了估算上述需求，首先參考【星際大戰前傳I：幽靈的威脅】中的一個場景：由連姆·尼森（Liam Neeson）飾演的奎剛·金（Qui-Gon Jinn） 用光劍切開了星際貿易飛船上一扇厚重的金屬門 。這一簡單的場景就 涉及到不少物理知識 ，讓我們開始分析吧。
奎剛·金，圖源網路
功率與能量
在【星際大戰IV】中，達斯·維達（Darth Vader）有句台詞：「與相比，摧毀一顆星球所需的簡直微不足道。」我們需要註意的是，他這裏所指的 力量 （power）其實是 軍事力量 （military power），而不是物理學中的 功率 （power），並且他所說的 原力 （Force）和物理學中的 力 （force）實際也不是一回事。在物理學中， 功率 有著明確的定義： 它是能量使用或傳遞的速率 。
我們可以用 單位能量間隔 （ ）與 單位時間間隔 （ ）來表示。能量以 焦耳 為單位，時間以 秒 為單位，對應功率的單位就是 瓦特 。
由Rhett Allain提供
為了讀者對能量以及功率的大小有更明確的概念， 這裏假設你從地上撿起一本書，並把它放到桌子上。 你克服重力做功需要 大約10焦耳 的能量。無論你用多長時間完成這個動作，所需的能量都是相同的，但 功率會有所不同。 如果你用 10秒 提起書，那麽功率是 1瓦 ；如果你只用 1秒 鐘提起書，則功率是 10瓦 。 能量相同，但功率不同 ，很好理解吧。
有了上述定義，我們只需要 找到一個能夠在特定時間內估算能量變化的事件 ，就可以估算出光劍消耗的功率，這時候我們在開頭所述的事件—— 奎剛用光劍切開金屬門 就可以派上用場了。
熱能與相變
熱咖啡，由AI生成
為了讀者更好地理解金屬門被切開的這個過程中能量的變化，我們在這裏還要介紹 熱能與相變的概 念 。在日常生活中，如果要 加熱一杯咖啡則需要對其提供能量 ，我們將使咖啡變熱的這種能量稱為 熱能 。物體（比如咖啡）的熱能變化取決於物體的 品質 （ ）、 溫度變化 （ ）和 材料的「比熱容」 （ ）。
由Rhett Allain提供
同樣為了讓讀者對熱能變化的大小有更好的理解，我們這裏再舉個例子。 如果你有300克咖啡（基本上可看成水），並把它從25攝氏度加熱到100攝氏度 ，這大約需要 9,4000焦耳 的能量， 相當於你提起那本書9400次！ 現在我們對家裏的咖啡機應該有了更多的敬意了吧？
但是，僅僅是增加熱能可不能代表融化一扇金屬門的全過程，它還 涉及材料的相變 ，也就是 從固態變為液態 的過程。相變所需的能量取決於物體的 品質 （ ）和我們稱之為 「熔化潛熱」 （ ）的內容。
由Rhett Allain提供
舉一個生活中最常見相變的例子，將 一千克冰塊融化成水 需要 3.34×10⁵焦耳 的能量，所以 融化一個50克的冰塊 需要 1,6700焦耳 的能量，可見融化物體需要大量的能量。如果想融化一扇金屬門，我們必須 先將它加熱到熔點 ， 再使其相變完成融化 ，這個過程所需的總能量取決於 金屬的品質和型別 。
冰融化成水，圖源Pixabay
估算光劍的功率
我們終於做完了以上所有的準備工作，現在開始 估算切割金屬門時光劍輸出的功率 。首先我們需要對 星際飛船門的材料 做一些猜測。按照現代科學來說，造一個巨大的飛船來運送戰鬥機器人，最可能會選用的材料是 鋁 ，因為它在 重量和強度 之間有很好的平衡。
幸運的是，我們對鋁的性質很了解。它的 密度是每立方米2700千克 ， 熔點為660攝氏度 ， 比熱容為900焦耳每千克每攝氏度 ， 熔化潛熱是每千克3.96×10⁵焦耳 。（雖然這些數位看起來很多，但別擔心，我們計算時只需要把它們輸入電腦就行了。）
那麽， 融化的金屬品質是多少呢 ？這是個值得思考的問題。在奎剛的第一次切割中，他切割的部份 約2公尺長 ，雖然切割的 寬度 不確定，但我們可以暫時假設為 1厘米 ，而門的 厚度 大約為 5厘米 。由於他一次性貫穿了整扇門，我們可以估算出 融化的金屬總品質約為2.7千克 。
現在，我們可以計算出 融化這些鋁所需的總能量 ，它包括 將金屬溫度升高到熔點 所需的能量以及 使其融化 所需的能量。（如果你想用其他金屬試試，只需將上述的數位替換為你所用的材料對應的參數即可。）根據估算的結果，融化這些金屬需要 大約260萬焦耳的能量 ！很顯然，融化金屬可不是件輕松的事。
光劍切割金屬門，由AI生成
最後一步便是 功率的計算 ，我們只需要確定融化這些金屬所需要的 時間 。透過視訊分析軟體，筆者得出切割時間為 11.5秒 。這樣算下來，光劍的功率輸出為 2.28×10⁵瓦 ，相當於305馬力！這也 相當於一輛高功率的汽車在你手中執行 ！
光劍所需的電池
也許光劍並沒有電池 ，在電影世界如此發達的科技背景下，可能它是從某個維度中直接獲取能量的，誰知道呢？ 畢竟，光劍並不是真實的 （這也沒關系）。但是， 如果它真的有電池，那會是什麽樣的呢 ？什麽樣的電池才能讓光劍正常執行？
前文已經估算出了光劍的輸出功率。現在我們可以根據功率計算出它 內部儲存的總能量 ，只需要再知道它 一次充電能執行多久 。在【星際大戰】電影中，光劍從未出現過突然沒電的現象，也從不需要插電充電。所以我們可以合理猜想， 光劍的電池壽命應該是非常長的 。
假設光劍一次性可以執行10小時 （這個估計已經是非常保守了）。那麽，光劍功率為2.28×10⁵瓦特時，執行10小時需要的總能量為 8.2×10⁹焦耳 ！這 相當於提起那本書8.2億次！
我們能用像手機電池那樣的 鋰離子電池 儲存這麽多能量嗎？這些鋰離子電池的 能量密度 為 每立方米2.5×10⁹焦耳 ，如果用於儲存光劍的能量，根據我們之前的計算， 鋰離子電池體積需要達到3.3立方米！ 也就是說，電池的尺寸可能像 一根4公尺長、直徑1公尺的柱子 ，這就像揮舞著一根樹幹或者電線桿在戰鬥。
或許我們之前對電池的執行時間估算出現了錯誤，不過我們可以根據電影中光劍的尺寸，估算一下對應尺寸的鋰離子電池能支撐光劍執行多久。假設光劍的手柄長度為13厘米，直徑6厘米，那麽它的體積約為 367立方厘米 ，只占之前估算電池體積的 0.01% ，如果一切按比例縮小，那麽 這樣的光劍電池一次只能執行4秒 。這種情況下， 在戰鬥中誰的電池更耐用，誰就贏了 。
電量不足，圖源Pixabay
顯然， 鋰離子電池並不適合光劍 。要能達到光劍的理想執行時間，我們需要 能量密度達到每立方米2.23×10¹³焦耳 （或每升2.23×10⁴兆焦耳）的電池。根據現有的能量密度材料表，唯一可能可行的解決方案是 某種核電池或反物質電池 。筆者對反物質電池完全沒意見，雖然復雜，但是超級酷。
上述較為詳盡地從基礎物理角度探討了制造一把光劍所需的電池技術。雖然以目前的科技水平， 制造並量產這種光劍有很大難度 ，除了電池問題之外，還需解決其他多項技術難題。但筆者堅信，隨著科學家們的不懈努力，將來我們一定能夠將光劍制造成功。最後，讓我們用【星際大戰】中的經典名句作結：「 願原力與你同在！ 」
轉譯內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
作者： Rhett Allain
轉譯：涼漸
審校：7號機
原文： What Kind of Battery Would You Need to Power a Lightsaber?
編輯：7號機
