书城科普读物科普知识百科全书——《物理知识篇》(下)
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第11章 原子时代(2)

了。这记载可靠吗?当庞培城被考古学家完整地发掘出来后,对出土的一块烧焦的面包(它也是用古代植物制成的),用“碳14方法”进行测量,结果发现其“年龄”与历史资料吻合。这说明那段历史记载是对的。碳14真不愧是考古学家的“时钟”。

阴雨天的意外发现

伦琴发现X射线之后,在欧洲掀起了一股X射线热,许多科学家都改行搞起这项热门的研究来了,其中有一位法国物理学家贝克勒耳。

他研究的是一种矿厂,这种矿石在阳光照射下,除了发射荧光之外,还会不会发出X射线来?

贝克勒耳想了一个简单而巧妙的办法:他在矿石下放一张用黑纸包着的照相底片,太阳光和矿石发出的荧光都不能穿透黑纸使底片感光,只有X射线能穿透黑纸使底片感光。因此,只要检查底片是否被感光,就能知道这种矿石会不会发射X射线了。

1896年春天,他开始做实验,不巧得很,那几天连续阴雨,没有太阳光,实验无法进行。他只得把黑纸包着的一叠底片放进抽屉里,等待天晴。他顺手就把那块矿石压在黑纸包上面。

几天之后天气转晴,贝克勒耳开始准备做实验。这位细心的科学家想,黑纸包是否漏光?要是漏光的话,那么,底片是就感光了,实验不是白做了吗?想到这里,他就从放在抽屉里的那叠底片中,抽了几张,拿去冲洗。

看了冲洗出来的照片,贝克勒耳大吃一惊。原来,那几张底片由于受到强烈的照射而感光了,感光部分的形状正好与那块矿石的形状相一致。激动万分的贝克勒耳,又把其余的底片全部拿去冲洗。结果,每张底片上都留下了那块矿石的影子。

这不可能是漏光造成的,必定有另一种因素在起作用。经过连续几天的反复实验和深入分析,贝克勒耳断定,使底片感光的是矿石中的铀元素放出的一种射线。根据底片被感光的强烈程度看,这不可能是X射线造成的,普通的可见光更做不到这一点。

铀本是一种不为人们所重视的金属,因为它没有多大实用价值。玻璃工人只把它当作着色剂用,在熔炼彩色玻璃时,掺进一点铀盐,就能使玻璃显出鲜艳的色彩来。由于贝克勒耳的发现,铀受到科学家前所未有的重视,身价百倍。后来,当铀能被用来制造原子弹时,它的地位更上升到了“战略物资”的高度。

紫外光的灾难

人们早就知道,物体被加热后会发现光来。开始时呈暗红色,随着温度上升,物体发光的颜色由红变黄,并向蓝白色过渡。当物体的温度达到上千摄氏度时,就会发出耀眼的白炽光。

由于物体的温度和它发光的颜色之间有一定的联系,所以有经验的炼钢工人能根据钢水的颜色(也就是钢水所发出的光的颜色)来判断钢水的温度。物体因温度升高而发光的现象,在物理学上称作“热辐射”。

科学家是喜欢追根究底的。物体因加热发光时,它的温度和所发光的颜色(或者说是波长)之间究竟存在着什么样的关系呢?

19世纪后期,德国的维恩、英国的瑞利和金斯推导出有关热辐射规律的两个公式。利用这两个公式,人们可以求出热辐射物体发出某一波长的光的能量是多少。这种关系在物理学上称作能量按发光波长的分布。

但是,这两个公式都只符合实验结果的一部分:物体发光的波长较长(即发红光或黄光)时,瑞利-金斯公式和实验结果相一致;波长较短(发绿光或蓝光)时,维恩公式与实验相符合。

当物体发光的波长更短,就成眼睛看不见的紫外光时,这两个公式都不能解释实验结果。紫外光给热辐射公式带来的灾难,使物理学家们伤透了脑筋。不管他们作出多大的努力,理论总是不能完全符合实验结果,不是在长波方面不符合,就是在短波上不符合。真是顾了“头”顾不上“尾”,保住“尾”又丢了“头”。

着名物理学家开耳文把这种情况称作为“在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的小小的乌云”。一朵就是关于热辐射实验的“紫外光的灾难”,另一朵是为了验证光传播媒质存在而进行的迈克尔逊-莫雷实验。开耳文很有眼力,就是这两朵乌云给物理学副业来一场大变革的暴风雨,在此基础上,诞生了现代物理学的两大支柱;量子论和相对论。

微观世界的“脚手架”

1926年夏天,美国物理学家戴维孙到英国访问,巧遇德国的玻恩教授。这个量子力学的祖师爷把德布罗意的一个有趣想法告诉了戴维孙:既然传统上认为具有典型波动性的光,在某些场合下能显示粒子性,那么,传统上是具有典型粒子性的电子,在某种场合下能不能显示出波动性来呢?这是迄今尚无法验证的一个“悬案”。

言者无意,听者有心。听得出神的戴维孙忽然想起了一件事:1925年4月的一天,他和同事革末像往常一样在着名的贝尔电话实验室里做实验,用一束电子去轰击放在高真空的玻璃容器里的一块镍片,期望能撞出一些新的电子来。那天做实验时由于意外事故空气进入容器,使里面的镍片氧化。由于这项实验需要很纯的镍片,所以他们不得不把氧化后的镍片取出来,一面加热,一面把上面的氧化层洗刷掉。当他们用洗清的镍片继续做实验时,却得到一张奇怪的照片:一圈一圈的同心圆,明暗相间地排列着,很像光经过小孔衍射后的照片。

当初,他们面对这张衍射照片百思不得其解。现在,玻恩教授介绍的德布罗意关于电子可能具有波动性的观点,使戴维孙恍然大悟。原来他和革末拍到的这张奇怪的照片,竟然是发现电子具有波动性的重要证据。

地狱炸弹

1952年11月的头一天,太平洋马绍尔群岛的一个珊瑚岛上进行了地球上第一次热核爆炸。这次爆炸的威力相当于1000万吨TNT炸药,是广岛爆炸的那颗原子弹爆炸力的500倍!这次爆炸是那样厉害,竟把那个小岛都炸个精光。所有不祥的预言都应验了,人们担心,有朝一日发生一场热核战争的话,将把世界炸得像一座地狱。因此,有人把这种炸弹称之为“地狱炸弹”。其实,这种炸弹的正式名称叫“氢弹”。

地球上的氢有三种同位素。通常的氢的原子核,只有单独一个质子,这种氢叫氢-1,它占了氢元素的绝大部分,它就是通常所说的氢。大约每6000个氢原子中,有一个氢-2,它的原子核包括一个质子和一个中子,人们把这种氢称作“氘”(读作“刀”),又叫“重氢”。氢-2比氢-1容易聚合,在其他条件都相同的情况下,氢-2聚变所需的温度要低一些。

此外,还有一种氢-3,聚变进所需温度更低,但它的数量实在太少了。这种氢叫“氚”(读作“川”),它的原子核有一个质子和两个中子,因为它比重氢还重,所以又叫“超重氢”

根据爱因斯坦的质能公式计算,如果设法使氘或氚的原子核,在高温下通过激烈的碰撞合并成中等重量的原子核,在发生质量亏损的同时会释放出巨大的能量。这样一种核反应叫“热核反应”,又叫“聚变反应”。

进行热核反应道先要点火。这如同生炉子一样,先得点燃柴禾。用火柴点火时温度只有上百摄氏度,可是,要实现聚变反应所需的点火温度是这个温度的几十万倍。根据费米的估算,要使氘和氚的混合气体实现热核反应,其点火温度至少要达到5000万摄氏度。而由纯粹的氘来实现热核反应,点火温度高达四五亿摄氏度。这么高的温度哪里来?原子弹的问世为此创造了条件。原子弹爆炸时,其中心温度高达几千万度至上亿度。因此氢弹的“点火棍”正是原子弹。

一场误会

在中子发现之后,科学家们提出了原子核是由质子和中子组成的假说,并很快得到了公认。

不过,这个假说也面临一些棘手的问题。例如,原子核中的质子都带正电,为什么它们不因排斥而分散,反而能拥挤在原子核内相安无事呢?为了回答这个难题,科学家们又提出,在原子核内除质子之间的静电斥力之外,在各核子之间一定还存在着一种巨大的引力,这种引力的强度远远超过了静电斥力,从而使各个核子老老实实地呆在原子核内,这种巨大的引力就叫做“核力”。

那么,核力是怎样产生的?1935年,日本物理学家汤川秀树提出“介子理论”,认为核力是核子之间不断交换某种媒介粒子(被称介子)的结果。根据量子电动力学理论,核子之间的相互作用的“力所能及”的距离(力距),与被交换的介子的质量成反比。由于核力的力距很短,因而介了的质量很大,汤川秀树从理论上估算出介子的质量大约为电子质量的200多倍。

1937年5月,美国物理学家安德森等在4300米高的山顶上,利用他设计的特别的磁云室捕获到一种新的未知粒子。根据测定的结果计算,这种新粒子的质量大约为电子质量的207倍。

消息一经发表,立即引起了科学界强烈的反响,人们普遍认为,这就是汤川秀树所预言的介子,并取名为μ介子。这件事似乎就至此为止了。

不久,更多的新实验结果出来了,它们显示μ介子可以自由地穿过原子核千百次而不同原子核发生作用。这使人们感到迷惑不解,作为传递核力的μ介子怎么很难与原子核发生作用呢?最后,科学家得出结论:μ介子并不是汤川秀树预言的那种介子。那么,汤川预言的介子在哪里呢?

事隔十年之后,1947年英国物理学家鲍威尔利用原子核乳胶在宇宙射线中发现π介子,这才是汤川秀树预言过的那种传递核力的介子。何以见得?理由有二条:一是π介子同原子核有强烈的相互作用,二是高能核子发生相互作用时会产生π介子。这样看来,安德森发现的μ介子是关于核力介子的一场误会。不过,安德森他们的工作也没白做,因为μ介子的发现有着特殊的科学价值,它使科学家认识到另一种衰变:基本粒子的衰变。原子核由于天然或人工的放射性,会衰变成另一种原子核。而作为一种基本粒子的μ介子,也会因天然或人工的因素,衰变成电子和中微子。

现代物理之谜

黑夜,应该是白夜天空为什么是黑的?

太阳落山了呗。夜晚,太阳公公睡觉去了,天就黑了。3岁的儿童会这么回答。

是的,天上没有太阳,好像天就必然会是黑的。可是,没有了太阳,还有星星,绝大多数星星都是恒星,都会发光,为什么没把夜晚的天空照亮?

所有的星星都在发光,夜晚的天空不应该是黑的,本应该像白天那么亮。

这是19世纪的天文学家奥伯斯提出的问题。奥伯斯是德国人,原来是内科医生,酷爱天文,白天行医,晚上就在自己的住所上层观测星空,发现过5颗彗星,研究过小行星。观测的年头多了,就提出了上述这个问题。

要说清这个问题,还得从天上有多少星星说起。奥伯斯是从天上有多少星,想到了宇宙有多大,是不是无边无际。这不是3岁儿童回答得了的,涉及一些大问题。

在没有望远镜以前,全凭肉眼看天,眼力再好,也只能看到6000多颗星。发明望远镜以后,眼界突然开阔,看到了5万多颗星。后来,天文学家赫歇尔一家,赫歇尔和他的妹妹、儿子对天空划分区域,系统观测,作了统计,统计出北半球天空有11万颗星,南半球天空有70万颗星。

人类的视野开阔了,从太阳系扩展到了银河系,看到了10万光年以外的星空。当年赫歇尔一家观测星空,使用的是自制望远镜。时代进步了,制造望远镜的技术越来越高,人的视野一再扩大,原以为看到了天边,谁知道真是天外还有天。天在扩展,谁也说不清天到底有多大,于是形成了一个观念:宇宙是无边无际的,宇宙是无限的。

这时候,奥伯斯出来说话了。他说,宇宙是无限的说法不科学,不信的话,我给计算一下。宇宙中应该均匀地分布着许多发光的恒星,虽然有的亮些,有的暗些,不妨假定它们都按一个平均亮度发光。还要考虑,离地球近的星,照到地球上的光要强一些,远一些就弱一些,把距离的因素也考虑进去。如果宇宙是无限的,恒星和恒星之间不会有暗区,地球的上空不会是黑的,而且比白天亮得多,大约相当天空中布满了太阳那么亮!

奥伯斯的理论告诉我们,夜晚的星空是亮的,是白夜;而人们的实际观察,夜晚的星空是黑的,是黑夜、理论和实际发生了矛盾。

提出这个矛盾,奥伯斯不是第一人。

1610年,天文学家开普勒就反对过宇宙无限的说法,他认为,如果天空的星星无限多,夜晚的星空就应该是亮的。

理论和实际发生矛盾,其中必定有原因,只是一下子还不知道问题出在哪里。从奥伯斯开始,不断地有人探讨矛盾的根源,推动了学术的发展,促使人们去思考宇宙到底是什么样的。

为了解决矛盾,曾经出现过许多说法。

有人说,星空中存在着吸光物质,比如尘埃之类的物质,吸光物质吸收了星光,使得天空黑了下来。

有人说,奥伯斯的理论,是根据恒星均匀地分布在空中计算的,而实际的恒星分布并不均匀,有的星区恒星多,有的星区恒星少,宇宙中有亮区和暗区,地球的位置在于暗区。

有的人倒是赞同奥伯斯的理论,只是说,奥伯斯假定了恒星永远在那儿发光,要考虑到恒星也有个寿命问题,要是恒星的平均寿命很短,那么遥远的恒星在“死亡”以前发出的光到不了地球。

还有一种理论,认为宇宙起源于原始火球的大爆炸,大爆炸以后,出现了许多星云,逐渐凝聚成各种天体。大爆炸以后,宇宙膨胀开来,大量恒星远离我们而去。这样,这些恒星的光也不能到达地球。

也还有这样的推论,如果宇宙存在的时间太短,而那些距离我们十分遥远的星光,还没有射到地球上来呢。

也许还会出现一些新的解释,总之,白夜和黑夜的问题已打开了人们的思路。只要无法推翻奥伯斯的理论,那就得找出原因来说明这个相互矛盾的事实。

幽灵粒子

幽灵粒子,是指中微子。中微子很神秘,一个小小的粒子,居然能穿过地球。从太阳出发的中微子,只要8分钟就可以到达地球。1000亿个中微子与地球相遇,几乎全部都能顺利地穿越地球,再次进入茫茫的宇宙之中,只有1个中微子可能与地球上的原子发生作用。

说它神秘,还因科学家猜想,宇宙中的中微子,像一个幽灵在飘荡,怎么也捉不到它。本世纪初,在研究放射物质的时候,人们注意到,原子核放出一个电子(或正电子)的时候,会带走一些能量。可是,仔细地算一算,损失的能量比电子带走的能量大,有部分能量丢失了。就像钱包里的钱丢失了一部分,是被小偷窃走了,能量丢失,也是一宗失窃案。

丢失能量,不论是怎么丢失,丢在哪里,在物理学家看来,都是严重的大事,令人头疼。物理学中有一条重要定律,即能量守恒。按照这条定律,能量是不会丢失的,如果证实是丢失,是亏损,那么能量守恒定律就靠不住了,不少的物理学理论就会垮掉。

事关重大,一定要侦破失窃案,查明能量是怎么丢失的,是哪个小偷窃走的。