书城童书科学知识大课堂——科技轶闻趣事
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第11章 机遇故事(3)

布朗德曾是一位不走运的商人,早年当过兵,行过医,后来经过一位炼金家的游说,决定放弃经商从事炼金术,企图炼得一种能点石、铜、铁等为黄金的“哲人石”,进而成为亿万富翁。他变卖所有的家产,购置了一些简单的实验仪器和药品,如锡、铅、水银和硫磺等,在一间破房里架起炉子,安上风箱,动手干了起来……锻炼点石成金的“哲人石”本是一件虚无缥缈的事,许多人都因此而误入歧途,布朗德也因此浪费了不少时光。他经过8年的艰苦努力,不仅没有炼出“哲人石”,反而耗去了他的许多资金。幸好他岳父家很有钱,经常在经济上接济他,而且他的妻子也很贤惠,不但不抱怨他,反而经常帮助他研磨药品,拉风箱烧火,不然布朗德早就半途而废了。有了这个好的环境,再加上他那实现炼出“哲人石”的梦想,就算在实验一个接着一个地失败的时候,他仍然没有死心。1669年春天,异想天开的布朗德准备从人尿中提炼一种物质以助成功。他采取先蒸馏浓缩,后过滤的方法,从大量的新鲜人尿中提取出一种黑色的粘稠状物质。然后,他把这些物质放入地窖中让其自然腐败。几个月后,他又在这些物质中加入两倍的细沙,搅匀放入曲颈瓶中干馏。经过处理后,布朗德获得了一些白色的蜡状固体,他把它们分别装在几个瓶子里备用。这时,午夜的钟声敲响了,布朗德的妻子怕他劳累过度,匆忙赶到实验室,想劝他早点休息。可是,当她打开实验室的门,一阵怪风吹进实验室,把所有的灯火都吹灭了,实验室变得一片漆黑。布朗德急忙转身准备去点灯,他突然发现,从尿中提炼出的那些白色蜡状物,发出了晶莹美丽的蓝白色亮光,闪闪烁烁地照亮了实验台和药品。与此同时,不慎撒在地上的星星点点白色蜡状物,也在闪闪发光,就像汉堡郊外古战场上的“鬼火”一样,飘飘忽忽,时明时暗。奇怪的是这些物质尽管像火一样燃烧,但并不发热,百是一种“寒冷的火”。见此情景,夫妇二人大为震惊,立即跪倒在地,连连向“上帝”祈祷。布朗德兴奋地对妻子说:“亲爱的,快感谢上帝吧!这些闪闪发光的东西是上帝赐与我们的冷火!”

夫妇二人起身继续观看,越看越兴奋,越看越有趣,就这样,他们在实验室里度过了一个不眠之夜。

布朗德发现“冷火”之后,孔德尔等人也用类似的方法制出了“冷火”。由于能发出奇妙荧光的“冷火”物质炼制十分困难,当时“冷火”的价格比黄金还昂贵!所以布朗德也因此挣了不少钱。

与他同时代的英国著名化学家波义耳,听说布朗德发现了“冷火”,立即加快了他的研究。

不久,他用化学方法也制出了“冷火”,同时从科学的角度对它进行了详细研究,证明了“冷火”是一种化学元素——磷。

磷是一种极易自燃的物质,汉堡郊外古战场的鬼火,以及一切野外荒山、坟地中的鬼火之类,都是由于动物(包括人)的尸体分解以后,游离出来的磷在空气中,由于它的燃点很低,在空气中就能燃烧。鬼火、冷火都是磷火。

炼金家布朗德虽然一直到死也没有炼出“哲人石”,但却意外地发现了化学元素磷。美国著名化学史家在谈到这段史实时诙谐地说:“炼金术可以比作《伊索寓言》里一位老人。波义耳就是在布朗德发现‘冷火’的基础上,确定了化学元素磷的。”

天花板上的蛛网

古希腊有三大数学难题,困扰了许多天才的头脑长达300年。这三大难题是:三角等分、化圆为方和不改变正立方体的形状,把它的体积增大两倍。一代又一代的数学家为此呕心沥血,进行毕生的探索,问题始终悬而未决。为什么呢?他们总离不开传统几何的途径,用圆规和尺子去求解难题,结果劳而无功。直到笛卡尔(1596~1650,法国哲学家、数学家、物理学家,解析几何学奠基人之一)创立了解析几何,把代数与几何结合起来,才为解决三大难题提供了科学依据。

勒内·笛卡尔于1596年3月31日生于图伦一个贵族家庭,他是17世纪法国最伟大的数学家之一。从小就聪明伶俐,勤学好问。在他8岁的时候,父亲经过多方面查询,替笛卡尔选择了当时全欧洲最著名的教会学校——拉夫雷士耶稣教会学校,开始接受正规的教育。笛卡儿因为孱弱多病,只能早晨在床上读书,由此养成了喜欢安静、善于思考的习惯。1612年,17岁的笛卡尔以优异的成绩毕业,进入普瓦捷大学攻读法学。此时,他已经在哲学和数学方面显示出了特殊的才能,并且与许多著名的学者成为了好朋友。

1617年,笛卡尔取得了普瓦捷大学法学博士学位,但他并不满足已掌握的书本知识,决心要走向社会,“去读世界这本大书”。他说:“除了我能够在我自己或者‘世界这本大书’里找到的科学之外,我绝不寻求别的科学……我决定研究我自己并竭尽全力来选择一条我应该遵循的道路。”于是,笛卡尔毅然到荷兰投身于奥伦治公爵的军队。

一天,他所在的部队开进了荷兰的布雷达城。无所事事的笛卡尔漫步在布雷达的大街上,忽然他看见一群人正围在一起议论纷纷,原来大街的围墙上贴出了一张几何难题悬赏的启事,能解答者获得本城最优秀的数学家的称号。好奇心驱使他将题目抄了下来。回到军营后,他开始专心致志求解这道题,经过冥思苦想和无数次运算,两天后,笛卡尔求得了答案。由此他的数学天才初露锋芒。

荷兰多特学院院长、学者毕克曼得知后,非常赏识笛卡尔的数学才华。他劝笛卡尔:“你有深厚的数学基础,才思敏捷,很适合从事数学研究。结束戎马生活吧,我相信你将来会成功的。”

毕克曼院长的良好建议对他起了重大影响。虽然笛卡尔并没有离开部队,可是他从此再没有间断过对数学问题的思考。

他早在拉夫雷士耶稣教会学校读书时,就听说过古希腊几何三大难题的故事,为什么将近两千年来这一问题还不能解决呢?

那时,每当他躺在床上冥思时,总是不满意他正在学习的欧几里得的几何学,认为“它只能使人在想像力大大疲乏的情况下,去练习理解力”;也不满意当时的代数学,感到它像“一种充满混杂与晦暗、故意用来阻碍思想的艺术,而不像一门改进思想的科学”。这些深奥的数学问题,对于当时还是十几岁的孩子来说,他还来不及进行更深入的探索和思考。当离开学校迈入军营生活后,他忽然感到自己对此竟是如此地感兴趣!

笛卡尔陷入了深深的思考之中。他在认真总结前人的大量解题教训后得出了这样一个猜想:

两千多年的教训,是不是说明有些作圆题按尺规作圆公式,根本就作不出来呢?圆规和直尺毕竟是一种工具,世界上是不是根本就不存在这种万能的工具呢?事实上,笛卡尔已经找到了这把开启自然宝库的钥匙,这就是代数之应用于几何,即解析几何。笛卡尔已经向几何三大难题的解决迈出了关键性的一步。

1621年他退出了军界后,与数学家迈多治等朋友云集巴黎,共同探讨数学和其他科学方面的问题。当时的法国封建专制统治和教会的势力还很强大,性格一向谨小慎微的笛卡尔,慑于法国宗教势力的淫威,于1628年移居荷兰。那里资产阶级革命已经成功,社会比较安定,思想自由,是搞学术研究的好地方。笛卡尔没有想到,这一去会长达20年之久,又是他一生中科学研究的最辉煌的时期。

他潜心于数学研究,发现两千多年来,人们在探索几何三大难题的解决时,一直在从“形”上去探求它的答案,还不曾有人怀疑这种方法的可能性。那么能不能把“形”化为“数”来研究呢?“形”和“数”之间有没有必然的联系呢?自从来到荷兰后,这个问题,一直在困扰着他。

艰苦的脑力活动,使体质虚弱的笛卡尔病倒了。他躺在病床上,却依然在思索着数学问题。

突然,他眼前一亮,原来天花板上,一只蜘蛛正忙忙碌碌地在墙角编织着蛛网。一会儿,它在天花板上爬来爬去,一会儿又顺着吐出的银丝在空中移动。随着蜘蛛的爬动,它和两面墙的距离,以及地面的距离,也不断地改动着。这一刹那,一种新的数学思想萌动了,困扰了他多年的“形”与“数”的问题,终于找到答案了。

真可谓踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫,性格一向很内向的笛卡尔兴奋得不顾虚弱的病体,一骨碌从床上爬起来,迫不及待地将这一瞬间的灵感描述出来。

他发现了这样的规律:如果在平面上放上任何两条相交的直线,假定这两条线互成直角,用点到两条垂直直线的距离来表示点的位置,就可以建立起点的坐标系。

就像数学中所有真正伟大的东西一样,这个发现的基本概念简单到了近乎一目了然的程度。

这样应用坐标的方法,就建立了平面上点和作为坐标的数对(x,y)之间的一一对应关系,进一步构成了平面上点与平面上曲线之间的一一对应关系,从而把数学的两大形态——形与数结合了起来。不仅如此。笛卡尔还用代数方程描述几何图形,用几何图形表示代数方程的计算结果,从而创造出了用代数方法解决几何题的一门崭新学科——解析几何学。

解析几何的诞生,改变了从古希腊开始的代数与几何分离的趋向,从而推动了数学的巨大进步。17世纪以来的数学重大发展,其中包括古希腊三大几何难题的解决、微积分理论的建立等,在很大程度上应归功于笛卡尔的解析几何。

解析几何的重大贡献,还在于它恰好提供了科学家们早已迫切需要的数学工具。17世纪是资本主义迅速发展的时代,资本主义的发展,促进了天文、航海和科学技术的发展,对数学提出了新的要求。

例如,要确定船只在大海中的位置,就要确立经纬度,这就需要更精确地掌握天体运行的规律;要改善枪炮的性能,就要精确地掌握抛物体的运行规律。而在这些研究中,涉及的已不是常量而是变量,这些变量还是相互联系的,是传统的孤立、静止的数学方法解决不了的。

解析几何正好满足了科研的这种需要,因为它可以用字母表示流动坐标,用方程刻画一般平面曲线,用代数演算代替古老陈旧的欧几里得纯逻辑推导而求出数量关系来,这就是说,解析几何使变数进入了数学,亦即使运动进入了数学,为微积分的创立奠定了基础。

正如后来法国数学家格拉朗日在其《数学概要》中说的:“只要代数与几何分道扬镳,它们的进展就缓慢,它们的应用就狭窄。但是当这两门科学结成伴侣时,它们就互相吸取新鲜活力,从那以后,就以快速的步伐走向完善。”解析几何,正是笛卡尔留给我们的最宝贵的科学财富。

邮票上的创新

当你撕下一张邮票贴在信封上时,你可能没有察觉到,邮票的齿孔给我们带来多少方便啊。

但是,你可知道,这小小的邮票齿孔的问世还有过一段有趣的故事哩!谁能想得到,邮票打孔机是一位新闻记者应急时的创举。

1840年5月6日,世界上第一枚邮票在英国诞生时,邮票是没有齿孔的。邮局工作人员是用剪刀将几十枚连成整张的邮票一张一张地剪开,出售给用户。这样既麻烦,又不容易裁剪整齐。

1848年冬季的一天,英国伦敦下着大雪。一位新闻记者从伦敦市的一些工厂采集到关于工人罢工方面的一些新闻。在市中心的一家饭店里,他把当天的新闻写成稿件,分装在几个大信封里,准备寄往外地的几家报馆。当他把信封封好后,取出刚刚从邮局买来的一大张邮票,准备剪开,贴在信封上。可是到处找不到剪刀,怎么办?他着急了,有点冒汗子,左手下意识地在胸前触摸,结果触及了西装领结上的别针。他取下别针,忽然灵机一动,就这么办!

他用别针在邮票的折缝上扎出密密麻麻的一排小孔,然后,很容易就把邮票撕开了,并且整整齐齐,实在是妙极了。

这时,一个在铁路上工作名叫亨利·阿察尔的爱尔兰青年,目睹了这个情景,他联想起车票票根上的齿孔就自言自语道:如果能制作一架打孔机,把每张邮票的空隙间都打上齿孔,使用起来该多方便啊!

于是,他就凭着新闻记者的启示和自己工作中的联想在1849年10月1日向邮政总长提出了他的申请,经邮局技术师认可,推荐给邮票税票总监批准,终于制造了两台打孔机。第一台装有两个滚轮切刀,用来打出由短切口组成的横向和纵向齿孔。第二台装有双刃刀,用以在纸上冲出许多行切口。

打孔机经阿察尔进一步改进后,在1850年1月转让给萨默塞特印刷厂。1850年8月,由邮票税票总监批准,1852年5月21日,调查委员会认可并批准购进。阿察尔型的新打孔机由戴维·纳皮尔父子公司制造,安装的萨默塞特印刷厂。1854年1月28日,有齿邮票正式使用。

第一个发行通用有齿邮票的国家是英国,随后是瑞典。接着挪威、美国、加拿大也在1856、1857、1858年相继使用打孔机。

邮票上的齿孔度是法国巴黎的雅克·阿马勃勒·勒格朗博士在1866年发明的。这是测量在2厘米长的线段内齿孔数的简单方法,一直沿用至今,并且能使集邮家精确地表述齿孔的各种变异。一枚标有“齿孔14度”的邮票,就意味着它的四边上每2厘米(0787英寸)有14个孔。标记“齿孔15×14度”的邮票,就意味着它的上下边每2厘米有15个孔,它的两侧边每2厘米有14个孔。

啤酒厂奇遇

约瑟夫·普利斯特里(Joseph Priestley,1733~1804,英国政治家、教育家和化学家,为氧气的发现者之一,并发现了氧化氮、二氧化氮和氨等10种气体以及植物的光合作用)1733年3月13日生于英国约克郡利兹城附近的菲尔德黑德。1765年获爱丁堡大学法学博士学位。

普利斯特里开始接触自然科学,那还是1755年他从神学院毕业后的事。特别是在南特威治的教堂学校任教时,他结识了爱德华·哈鲁德,除了神学之外,他们两个还一起研究了天文学、物理学和其他自然科学。

1766年,有一次,普利斯特里到伦敦购书,偶然遇见了美国著名的科学家和政治家富兰克林。二人在伦敦的会晤,对普利斯特里从神学、哲学等社会科学领域走进自然科学的王国产生了相当大的影响。同一年,普利斯特里当选为英国皇家学会会员。

1768年复活节前夕,普利斯特里由于看书时间过长而感到疲倦,他想稍事休息,就来到布莱克叔叔的纺织厂。叔叔答应让他与三个堂妹一起去看看隔壁的啤酒厂,他们对此都非常感兴趣。

在参观工厂时,普利斯特里大开眼界,特别是发酵车间更使他着迷。

“立刻下来,不要对着啤酒呼吸,否则你会失去知觉。”大妹妹史蒂文对躬身看发酵的液体的普利斯特里喊道。

普利斯特里惊异地直起身子,离开大桶,询问史蒂文和二妹妹台特怎么回事。

“我自己也懂得不多。”台特答道。