书城童书奇妙的发明(科学知识大课堂)
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第33章 其他科技大发明(3)

目前,世界上的高压实验室总数已经超过了上百个。美国和日本的物理学家利用金刚石高压设备进行研究,得到了许多重要数据。他们利用X射线和激光加热高压容器,肯定了地幔深处的相变。以前人们曾认为地幔的相变是正交晶系变成尖晶石,并最终变成密堆积的氧化物。现在根据高压实验发现存在着有钙钛矿和钛铁矿结构的尖晶石相,这一结果导致了科学家对地震数据的修正。此外,世界上其他国家也纷纷在进行高压方面的研究,以便更快地推动科技的进步。

起电机和霓虹灯的发明

17世纪后半叶,科学家们在为一个科学之谜烦恼:真空管中的水银为何会发光!

事情的简单经过是这样的。1675年的一天,法国天文学家让·皮卡尔(1620~1682)同往常一样,仍在巴黎天文台进行观测、研究。但当他挪动一台水银气压计要把它从天文台运走时,奇怪的事情发生了,在水银上方玻璃管的真空里,突然出现了微弱的闪光。他觉得很奇怪,又将水银气压计摇了摇,证实了他刚才没有看错。后来,人们就将这种闪光现象称为“托里拆利发光”?

为什么叫“托里拆利发光”呢?意大利物理学家托里拆利(1608~1647)是伽利略的学生。他闻名于世的成就是1643年和伽利略的另一位学生、物理学家维维亚尼(1622~1703)在佛罗伦萨作的“托里拆利实验”。这个著名的实验用一根长约1米的玻璃管灌满水银后倒立在小银槽内,结果发现管内水银面下降到高出槽内水银面76厘米时就不再下降了。这76厘米汞柱就是当时大气压的值,而管内水银面以上的“真空”就被称为“托里拆利真空”。由此可见,人们将前述水银闪光称为“托里拆利发光”就很自然了。

那么,为什么会产生这种闪光呢?许多科学家都想揭开这个谜。

最终揭开这个谜的是英国(一说德国)物理学家佛朗西斯·豪克斯比(1688~1763)。他在1703年前后,经过一系列的实验、观察、研究、终于发现,这种闪光是由于挪动气压计时,水银与玻璃管内壁摩擦生出的电激发水银蒸气产生的。

既然摩擦会生电,那么不就可以由此制成起电机吗?经过几年研制,豪克斯比终于制造出又一种起电机:一个抽空空气的玻璃球可绕轴转动——人用手柄摇,用布帛等物品与这个转动的玻璃球接触,就“摩擦起电”了。他曾用它起电,演示出许多静电现象。

不过,起电机最早却是由德国物理学家格里克(1602~1686)于1660年发明的。这种起电机与豪克斯比的起电机相比主要不同之处是,他用的是实心硫磺球,而不是空心玻璃球。在豪克斯比之后,又有许多科学家发明了各种各样的起电机,例如18世纪上半叶,英国戈登用玻璃圆筒、瑞士普兰达与英国詹斯登用圆玻璃板,分别代替玻璃球,使摩擦起电机更接近了现代形态。又如,德国特普勒(1836~1912)和霍尔兹(1836~1913)在1865年又发明了另一种形式的起电机——感应起电机。

既然水银气可以因电的激发而发光,那其他气体又会不会在电激发下发光呢?又可不可以由此制成一种灯具呢?

1910年,法国发明家克劳德(1870~1960)终于作出了这种灯具——霓虹灯。他在一根抽空的玻璃细长管内充入氖气,然后通电,灯管便发出美丽的红光。人们先后发现,充入不同气体,发光的颜色会不同。例如,充汞蒸气,光呈蓝绿色;充钠蒸气,光呈黄色;充氮气,光呈金黄色;充氢气,光呈粉红色;充二氧化碳气,光呈白色;充氩气,光呈淡紫色;等等。

1910年12月3日,巴黎大宫殿首先点上了克劳德的氖霓虹灯。1912年,巴黎蒙马特尔大街的一家理发馆首先用这种霓虹灯作广告,以招徕更多的顾客。当今世界,包括霓虹灯在内的各种灯具,已将一座座城镇变成五光十色的“不夜城”。

“王水”中的秘密

1943年底的一个晚上,被德国鬼子占领的丹麦首都哥本哈根笼罩着一片恐怖气氛,一队队摩托车和囚车亮起魔鬼般的“眼睛”向四面八方散开,向它的目标窜去——法西斯匪徒的又一次大搜捕开始了。

著名的丹麦科学家尼尔斯·玻尔也被列入搜捕名单之中。他必须在德国鬼子到来之前收拾好要带走的东西、藏好应藏的物品,逃到瑞典,再取道伦敦去美国。他把其他物品都收拾好了,最后,他的目光停留在实验台上。除各种实验仪器外,台上还放着一瓶重水和一枚熠熠闪光的诺贝尔金质奖章,它被放在一个小盒子里。

看到这枚奖章,20年前的往事历历在目。1922年12月10日,在瑞典斯德哥尔摩金碧辉煌的大厅里,他在庄严悦耳的乐曲声中从瑞典国王手中接过诺贝尔物理学金质奖章,这是为了表彰他在原子结构和原子发射谱线方面的研究成果。现在戴上它,或者即使藏在带走的物品之中,如被发现,也会暴露自己的身份,后果不堪设想;留下吗,又会落入敌人之手。正在左右为难的时候,他的目光落在实验台上那瓶“王水”上。“咦,它不是溶解一切金属吧?”于是他想出一个绝妙的主意,将奖章溶解在“王水”中。他迅速将奖章放进“王水”……奖章体积越来越小,最后消失得无影无踪,而“王水”却仍然晶莹透明。这时玻尔长长地舒了一口气,连忙拿起“重水瓶”,在茫茫的夜色中踏上了漫长的征途。

当德国鬼子窜进他的实验室时,他已经在丹麦抗敌组织的帮助下通过厄勒海峡的一条秘密通道,漂泊在波罗的海的小船上了。接着,他和家人到达瑞典,最终逃离虎口,到达美国。

那么,德国鬼子为什么要搜捕玻尔呢?原来,玻尔坚决反对纳粹分子的观点世人皆知,作为反法西斯专制的不屈战士,理所当然地被德军视为最危险的敌人。加之他的母亲是犹太人,因此玻尔也成为“半个犹太人”,而德国法西斯迫害犹太人是人所共知的。因此,从1940年德国占领丹麦后,玻尔的处境就十分危险。但玻尔仍坚守在自己的祖国,直到上述1943年底他得到德军准备将他劫往德国的准确情报后,才毅然逃出虎口。此外,他还帮助过许多丹麦籍犹太人潜逃出境,否则他们也会死在希特勒的煤气炉上。

玻尔一生中有许多趣闻轶事,以下再记叙几件。

第一件——忙中出错。玻尔在瑞典到英国途中,被安置在一架“蚊”式飞机的弹舱里。飞机被气浪颠簸,也可能遭遇德机,情况很危急。虽然环境如此险恶,但蜷缩在弹舱里的玻尔仍然在全神贯注地思考他要解决的科学问题。以致没有戴上飞机上必备的联络耳机,因此没能听到飞行员让他戴上氧气面罩的通知。当飞机升到空气稀薄的高空时,他已经因缺氧昏过去了。在伦敦机场上,欢迎他的人们发现他已奄奄一息。但更使玻尔懊恼的是,在匆忙出逃时带走的、在生死攸关的航程中豁出命来保护的“重水瓶”,竟是一瓶地地道道的丹麦啤酒!

原来,装重水的瓶子是一只啤酒瓶——他也会忙中出错。

第二件——还原奖章。1945年德国投降后,玻尔又回到哥本哈根的实验室。那瓶王水依然清澈如故,他打开瓶盖小心翼翼地放入一块铜。铜逐渐消失,瓶中出现了一块黄金,这是两年前溶入其中的那枚奖章的全部金子。他将金子取出,重新铸成了与原来一样的奖章。原来,黄金与王水发生了如下的化学反应:

Au+HNO3+3HCl=AuCl3+2H2O+NO↑AuCl3+HCl=HAuCl4。

这HAuCl4是氯金酸。他把铜放入其中后,铜把金从氯金酸中置换出来,得到黄金。这就是玻尔智取奖章的故事。

第三件——两位不同的老师。玻尔在哥本哈根大学完成全部学业后,便直奔英国卡文迪许实验室,拜该室第三任主任——以发现电子闻名于世的英国物理学家J·J·汤姆逊为师。个性直爽的玻尔觉得老师的原子结构模型——“面包夹葡萄干”有些缺陷,便对汤姆逊谈了自己的不同看法。不料这竟得罪了老师:初投门下的无名小卒竟敢向我的原子模型开火!这样,玻尔的论文也未能在英国发表。不到几个月,玻尔便悄然离开了汤姆逊。

这场风波对玻尔是一个打击,但事物总是一分为二的。后来的事实表明,这对玻尔一生的转折以致对物理学的发展,倒成了一件好事。

他离开汤姆逊后不久,从朋友口中得知英国物理学家卢瑟福一向关心青年,于是他转而投向曼彻斯特大学,在卢瑟福的实验室里工作。在此这前几个月,卢瑟福也发表了他不同于汤姆逊的模型——核式结构模型。玻尔也发现汤姆逊的模型有缺陷,但不敢贸然向卢瑟福摊开看法,因为他怕再遇到汤姆逊式的怒火。但在经过一段时间激烈的思想斗争之后,他终于怀着惴惴不安的心情敲响了卢瑟福书房的大门。卢瑟福热情地接待了他,仔细地倾听他的看法。

卢瑟福赞赏学生的勤奋与创造精神,鼓励他把研究成果整理成论文。论文初稿出来后,又提出重要修改意见,经过师生俩一连几个长夜的倾谈和逐字逐句的推敲,改定了这篇论文。卢瑟福将它和玻尔回国后又写出的另外两篇论文推荐给英国《哲学杂志》,其中一篇名为《原子和分子结构》。这些论文于1913年发表在该杂志后,在国际物理学界引起极大的轰动。玻尔在论文中提出的原子结构的“玻尔模型”使他荣获1922年诺贝尔物理学奖,也因此被誉为“原子结构学说”之父。他的成就,有一半应归功于汤姆逊对待新生事物态度截然相反的、德行高尚的老师——卢瑟福。

玻尔的学说虽然并不完善,但却代表着对经典物理学的一次彻底突破。他成为“与爱因斯坦齐名”的人。欧洲科学界甚至在他逝世后认为他“比任何人,甚至爱因斯坦在内都更多地改变了20世纪”。这是因为,玻尔和他创立并领导的哥本哈根理论物理研究所,为量子力学的发展作出了划时代的贡献。

玻尔的成功不是偶然的。

首先,他得益于得天独厚的成长环境。玻尔的父亲、哥本哈根大学生理学教授克里斯蒂安·玻尔的岳父艾德勒,是有名的大金融家和政治家。根据德海滨14号古老、豪华的大厦,是这个家庭“经济实力”的象征。

第二,他得益于父亲正确良好的教育。经济富裕并不能保证子女成才,如果财富使用不当,还会使子女成为“纨绔子弟”,老玻尔深知这一点。他培养孩子们朗诵歌德的《浮士德》,教他们读莎士比亚和狄更斯的作品;带他们去散步、划船、看树叶生长、登山欣赏彩霞云海、讲授雷电知识……还让孩子们从小自己动手动脑。下面一个事例可以看出老玻尔的正确教育方法和良苦用心。一次,自行车的飞轮出了毛病,玻尔不顾母亲的反对,坚持自己修理,但拆开后却不知如何安装还原。这时母亲叫女仆去请修理工,但却被父亲阻止。老玻尔平静地说:“不要管这孩子,他自己会知道怎样干的。”果然,玻尔经过仔细观察研究之后,终于把车子重新组装好了。意志、道德、人生观、技能的正确培养,为玻尔的成功打下了坚实的基础。

第三,得益于玻尔自己许多良好的品质。对此,仅能挂一漏万举出两例。一例是他与众不同的犀利的眼光,对教科书上的错误一点也不妥协。一发现错误,便加上圈注,向老师提出改正意见,哪怕老师不相信他的,他也坚持按他认为正确的回答。一次,一个同学问他“要是物理考试恰好出在这些有错的地方,是照你的还是照书上的回答?”玻尔毫不犹豫地回答说:

“当然照对的回答,应该让老师知道真正的物理是什么。”他的这一品质使他在班级里成为同学们聚集的“中心”。他的同学奥利后来作了如下回顾:“我清楚地记得,那时我们都因他的所作所为而印象非常深刻。他的品格和风度给整个班级定下了调子。”第二例是他从导师卢瑟福身上继承的品格和作风。他成名后依然同青年们朝夕相处,平等待人,从不摆权威架子,处处发扬民主作风,因此深受学生拥戴和尊敬。有时他的想法受到学生们的反驳,他闻过则喜,知错就改。他虚怀若谷,总是说自己的数学知识比有的学生还差,说自己的表达不畅。玻尔越谦虚越有自知之明,愈是得到学生的热爱和赞扬。当有人问玻尔,他何以吸引这么多杰出的青年物理学家聚集在他身边时,玻尔回答说:“我只是不怕在年轻人面前暴露自己的愚蠢。”

是的,自从玻尔创立的哥本哈根大学理论物理研究所后,在1920年9月15日正式落成举行典礼之时,研究所就开始聚集来自世界各地的才华横溢的青年科学家,使玻尔为所长的这个研究所成为世界上主要的科研中心之一。这里经常聚集五六十名外国物理学家,海森堡、狄拉克、泡利、朗道等先后都在玻尔身边学习、工作过。许多著名理论物理学家都怀着自豪而崇敬的心情称自己是玻尔的学生。一时“哥本哈根学派”成为专用名词,玻尔与这群人一起和睦相处。所以,在科学史上人们发现,创立量子力学,完善玻尔理论的科学家中,多数都是年青科学家,而且都去过哥本哈根,这绝不是巧合。

为了纪念玻尔在1913年提出新原子结构模型50周年,1963年丹麦发行了一枚邮票。

坦克的发明

陆地上的现代战争中,有这样一种“活动的钢铁堡垒”:它具有可以旋转的炮塔,上面配有机关枪和大炮,能够随时向四周射击;它的厚装甲板和防毒设备使之能够在枪林弹雨和毒气烟幕中勇往直前;它坚硬而具有韧性的滚动式履带也使之能够在崎岖凹凸的阵地上如履平地;同时,它所拥有的骄人的长度和重量,更能毫不费力地破坏铁网、堤坝等障碍设施,具有极强的战斗力。这个所向披靡的铁家伙便是坦克。