书城童书奇妙的发明(科学知识大课堂)
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第36章 其他科技大发明(6)

有些人看到中子的发现,以为是靠神秘莫测的运气偶然发现的。事实并非如此。任何科学的进步都必须具备赖以成功的基本和条件,偶然的发现是孕育在历史的必然之中的。查德威克在发现中子以前,已是一位才华横溢的著名物理学家,是英国皇家学会会员,代理卢瑟福领导卡文迪许实验室的管理工作,并一直是卢瑟福的得力助手。即使在第一次世界大战期间,他被拘禁在德国鲁勒本时,仍然和其他几位难友组成一个科学协会,专心致力于β射线的研究。从战后到1923年,他担任了卡文迪许实验室放射性研究工作的助理指导,参与了卢瑟福在1919年进行的第一次人工核反应的研究工作。通过这一系列的实验工作,实验技能趋于成熟。1920年,卢瑟福在第二次贝克尔讲演中提出中子预言,给他留下了深刻印象。这样,他早在1923年就写信给卢瑟福说:“我本人认为我们必须对不带电荷的中子进行一次真正的研究。现在我已经有一个迫切的工作计划,但还是应该事先和阿克顿商量。”从这里,人们不难看出,早在他发现中子前10年,已为中子的研究作出了周密的计划,可以说,经过10年之久的长期探索,他才做出了发现中子的这一科学壮举,所以,查德威克作为中子的第一个发现者是当之无愧的。

查德威克治学严谨,办事可靠,以精通管理和实验技术而闻名。在卢瑟福任英国皇家学会主席后的10年中,卡文迪许实验室的实际工作是在查德威克负责下进行的。他继承了卢瑟福的传统,只用简陋的仪器,却以很高的灵感和物理直觉发现了中子。他宣布发现中子的论文描述了设计很好的简单实验,这是清晰的物理思想的楷模。一个实验物理学家必须是一个具有相当水平的理论物理学家,能够知道什么样的实验是值得做的,同时他又必须是一个有相当手艺的工匠,知道如何做这些实验。只有这两方面都能胜任的人才是一个优秀的实验物理学家。查德威克就是这样的杰出人物。

查德威克友善、慷慨、责任心强、乐于助人。在物质和资金非常有限的情况下,他都能让实习学生得到必备的设备。卢瑟福甚至有时还责备他对那些年轻人过于偏爱。

发现中子之后,他还不失时机地提到波特、贝克尔、韦伯斯特和约里奥·居里夫妇的成绩和贡献。1957年,即发现中子后的25年,他在论及约里奥·居里对科学事业的贡献时,曾特别提到他们夫妇俩的实验确是一个“提供发现中子线索的非常奇妙的途径”。的确,没有此人的失误,就没有彼人的成功,如果没有前人的工作,任何科学的进展都是不可能的。

查德威克于1891年10月20日出生在英国的曼彻斯特,并在曼彻斯特接受了中学教育。16岁时,他参加了两项考试获得了曼彻斯特大学两个奖学金,他选择了其中一个进了大学。1911年,他以一流的成绩在曼彻斯特大学毕业。他继续留在学校攻读硕士学们,在卢瑟福指导下与拉塞尔一起工作,继续盖革和波尔的研究事业。1913年,他取得了理科硕士学位,之后他又获得了一笔相当可观的研究奖金,他把这笔奖金完全用于自己的事业上,他需要更换实验室,以便扩大研究范围。当时盖革教授已经回到柏林,查德威克随后也去了该地师从盖革。盖革非常喜欢这个执著上进的小伙子,他高兴地把查德威克介绍给周围的人,使他有幸结识了包括爱因斯坦、哈思和梅特纳在内的柏林科学家。不料第一次世界大战爆发了,他被整整拘禁了4年。战后,他于1918年12月返回曼彻斯特大学在卢瑟福的指导下工作,1919年又随卢瑟福来到英国剑桥大学卡文迪许实验室。

查德威克后来应聘到冈维尔和凯恩斯学院工作,并任卡文迪许实验室副研究主任。1927年被选为皇家学会会员,1945年获爵位。1935年~1948年主持利物浦大学里昂琼斯物理学讲座,之后,他在美国工作,担任制造原子弹的“曼哈顿计划”的英国代表团团长。曾任剑桥大学冈维尔和凯恩斯学院院长,并兼任过联合国原子能管理局委员。

查德威克发表过许多关于放射性及其他有关内容的文章。同卢瑟福勋爵和埃利斯合著的《放射性物理的辐射》一书,在辐射的核物理领域中占据了多年的权威地位。

他的一生除了获得诺贝尔奖之外,还获得了科普利奖章和费城富兰克林奖章,他既是许多物理研究所的名誉会员,曾获得多所大学的名誉博士称号,又是许多外国科学院和学术组织的名誉成员。

他于1935年同利物浦富商之女艾林·斯图尔特·布朗结婚,生有一对孪生女儿。1974年7月24日逝世,终年83岁。查德威克的一生可以说是为科学奉献的一生。他为人类、为科学所作出的贡献是不可低估的。

开创新时代中子的发现,对于核物理的发展具有决定性的意义:它作为物理学史上的最重要实验之一,是查德威克的殊荣,这将作为这位实验物理学家的伟大发现载入史册。1932年以前的一切都属于核物理的史前史,1932年才开始了核物理时代,因为1932年查德威克发现了中子。

中子的发现,是原子核物理发展史上的一个里程碑,具有划时代的深远意义。首先,中子的发现,使人们有了原子结构的新概念,搞清了核的基本组成,彻底否定了核的电子假说,为其后的核结构和核反应研究开辟了崭新的道路。其次,由于有了中子,使人们对原子量与原子序数的关系,以及原子核的自旋、稳定性等原子核的特性问题,有了新的认识。并且,人类对中子的研究和应用推动了核物理的飞速发展。中子的发现开创了一个新的时代,其中把中子作为轰击原子的“新型炮弹”,导致具有划时代意义的重要发现——铀核裂变,是人类步入核能时代的第一声春雷。

中子被发现了,它的历史曲折而又富有戏剧性。但是,不论怎样,它的发现凝聚了许多科学家的辛苦劳动,这一点是不可否认的,我们从中应该体会到,科学上的任何发现与发明,都不是单凭一朝一夕就能一帆风顺地实现的。它需要长期的艰苦的劳动,更需要有牢固的理论基础和解决各种复杂问题的能力。所以,立志为祖国的未来而奋斗的少年朋友,你们应该从小树雄心,立大志,努力学好科学文化知识,培养坚强的毅力,以科学前辈为榜样。虽然科学家是伟大的人物,但同时他们也是人类中平凡的一员,只要有决心,他们的成就并不是高不可攀的。相信在不久的将来,会有更多的像查德威克一类的人物出现。

现代火箭的发明

从17岁开始,罗伯特·戈达德这个年轻的美国人就在他的某本日记的开首吐露出“制造一种能登上火星的装置”的梦想。

1914年,他向这个梦想迈进了“一大步”。刚从研究生院毕业,戈达德就申请了多项有关现代火箭学基本概念的专利,其中包括液体燃料推进器和多级火箭。在这之后,他就开始了长达12年的探索试验。在向别人说明自己的计划时,他仅提及希望寻求一种收集宇宙信息的途径。当一家地方报纸披露了他的太空旅行的想法时,这位离群索居的克拉克大学教授得到了一个绰号:“月球人”。的确,在他进行试验的马萨诸塞农场经常发生的爆炸,看来同样证明了他的疯狂。

在莱特兄弟首次飞行20多年后的1926年3月16日,戈达德用事实为自己进行了辩护——把他的发明送上天,宣告了火箭时代的到来。戈达德制造的划时代的火箭长约3.05米,不装燃料时还不到2公斤重,用液氧和汽油推动。它在约13米的高空飞行了约56米,整个飞行持续了2.5秒。戈达德在他的日记里写道:“它飞起来时真是太迷人了,没有太大的噪声和火焰,好像在说:‘我在这儿呆的时间够长了。我想如果你不介意,我就要到别的地方去了!’”

在这次火箭成功发射之后的几年里,戈达德又进行了多次发射试验。他后来还在火箭上安装了气压计、温度计和照相机,火箭最高发射高度达到了2500米。

其实,在戈达德之前一些先驱者已经在这方面进行了大量开创性的研究。被誉为“现代火箭之父”的苏联科学家齐奥尔科夫斯基早在他1903年写成的《利用喷气工具研究宇宙空间》一文中,就第一次阐述了火箭飞行和火箭发动机制造的基本原理和构造,并推导出计算火箭飞行最大速度的公式。他的这些研究成果对人类关于火箭研制技术的发展产生了深远的影响。

1923年德国人奥伯斯在他出版的《从火箭到星际太空》一书中,深入探讨了许多技术性问题,如喷气速度、理想速度和火箭在大气中最佳上升速度等。有趣的是,奥伯斯的著作经科普作家改写成通俗读物后,也产生了广泛的影响。

在戈达德之后,火箭研究在许多西方大国中迅速开展起来。1933年,在冯·布劳恩的主持下,德国首先在这方面进行了开创性的研究,并在空气动力学和制导与控制、发动机设计、弹道设计等方面积累了大量经验。1942年10月3日,在严格保密的波罗的海沿岸的一个名叫佩内明德的发射场,德国成功地发射了第一枚军用火箭V-2。V-2火箭全长14米,可携带1吨重的弹药,最大射程300公里——这是在真正意义上第一枚进入实用的现代火箭。

V-2火箭这种新式武器的诞生,虽然没能最终挽救德国二战失败的必然命运,但是它在战争中显示出来的巨大威力,已经使深受其害的英国人产生了巨大的恐惧心理,也为战后现代火箭技术的飞速发展开辟了道路。事实上,美国和苏联战后火箭技术的发展都是从抄袭V-2火箭起步的。而美国更是将在战争结束时俘获的大量研制V-2火箭的德国科研人员直接送回本国,为其发展火箭研制事业服务。

雷达的发明与演变

现代科学技术的发展,使得现代战争几乎成了高科技的对抗,电子技术更是日益显示出重要性。没有先进的电子设备,军队就会像“瞎子”和“聋子”一样,处处被动,处处挨打,即使武器再精良、兵力再多也可能吃败仗。

被称作“千里眼”的雷达就是现代战争中最重要的电子设备之一。它是第二次世界大战中的新发明。“雷达”这个词是从英文缩略词radar翻译过来的,原来的意思是指“无线电探测和定位”。雷达能在军事、气象、导航等多个领域发挥重要用途。它工作的基本原理是利用电磁波一遇到物体时就会像回声一样被反射回来的特性。当雷达系统向空间发射一束电磁波后,其中的一部分遇到物体便会反射回来,形成反射回波,反映在雷达指示器上。观测者通过测量和计算,就可以探测出远方的目标,并能精确测定出目标的方位、速度和距离。

早在1887年,德国科学家亨利希·鲁道夫·赫兹证实电磁波存在以后,科学文献就经常提到将电磁波用于目标探测的问题。1897年,俄国物理学家波波夫在实验时观察到电磁波被船只反射回来的现象,便提出可将这个现象用于军事探测(如探测敌船)。但是他的建议没能引起有关部门的重视。直到1922年意大利工程师马可尼发表有关论文,美国海军研究室才用实验验证了这一设想,研制出了收发装置分离的连续波雷达。

美国从1925年开始研究利用脉冲调制技术,作为探测目标距离的手段。1935年12月,英国首先开始建造第一座飞机雷达站,开始了雷达技术的实用发展阶段。1936年4月,美国研制成功第一台脉冲式雷达装置,探测距离达到4公里。到了1938年,美国研制的防空袭雷达已经得到了实际应用。

20世纪30年代,英、法、德、美等国都在大力进行雷达的研制工作,其中英国、德国和美国的研究工作更是带有明确的军事目的。法国开始时只将雷达用于船只探测冰山,但当战争迫在眉睫时,他们也很快将雷达的实际应用转向军事化。德国最早便开始研究船只的雷达探测系统,很快又发展了飞机的雷达探测系统,1939年已经有了对入侵飞机的早期雷达报警系统,紧接着又出现了船只雷达报警系统。到了1945年左右,德军就已经能够利用雷达系统精确地引导高射炮射击目标。

在第二次世界大战中,雷达真正发挥了国防“千里眼”的作用。1940年,雷达无线网使英国在英德不列颠空战中免遭灭顶之灾;而一年后,由于珍珠港盟军指挥官对雷达屏幕上日军大举进攻的飞机信号置之不理,造成了珍珠港变成一片火海。也是在二战中,英美科学家共同研制成功了一种精度更高、体积更小的微波机载雷达,使盟军飞行员在对德空战中占据了明显的优势。

二战结束后,科学家们开始尝试着将雷达应用于科研。1946年,美国成功地探测到了从月球反射回来的雷达信号。此外,雷达还可以用作导航工具,或者作为防止船只以及飞机碰撞的常规监控手段,警察则用它测定汽车的速度。

高速飞机的出现对雷达的设备装置和应用技术都提出了新的要求。显然,将计算机和雷达结合起来可以解决雷达自动侦察的问题,即人们利用雷达探测各方面入侵的飞机攻击情况,并将探测得到的信号及时传递给计算机,计算机就能够很快决定出动什么飞机来完成拦截任务。等到洲际导弹研制成功之后,雷达又满足了防御方尽早报警的需要。它可以帮助计算机迅速确定导弹的飞行轨道、攻击目标和到达的时间,对于入侵的洲际导弹至少可以在导弹击中目标的15分钟之前发出警报。

20世纪60年代,雷达在航天事业中发挥了重要的作用。如在人类登月活动和空间飞船对接活动中,雷达同计算机配合,出色地完成了跟踪、定位等多项艰巨的任务。同时,雷达还与数学、物理学、生物学等基础学科以及空间科学技术、医学技术等许多领域有着十分密切的关系。

科学的发展是永无止境的。正是由于与人类社会各方面有着密切的血肉联系,使得雷达电子科技具有极其旺盛的生命力,并在越来越广阔的范围内不断向前发展。

弹道导弹的发明与发展

导弹是指装有弹头和动力装置并能制导的高速飞行武器。导弹与火箭不同,它的原意是“导向炮弹”或“导向火箭”。由此可见,导弹与火箭的根本区别就在“导”字上。也就是说,装有控制系统,能自动导向目标的火箭类武器就是导弹。按照发射点和目标位置,导弹大致可分为地对地、地对空、空对空和空对地导弹等。按照射程导弹又可分为短程、中程、远程和洲际导弹等。