书城童书科学知识大课堂——奇妙的发明
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第39章 其他科技大发明(9)

吴健雄所在的哥伦比亚大学有一个低温物理研究组,虽然水准不差,但是规模和设备水准都不够。在华盛顿的国家标准局,是美国国内另一个可以进行以低温环境达成原子核极化的实验室。在那里工作的安伯勒来自英国牛津的克莱文登实验室,而且他是1952年在国家标准局做核极化实验的成员之一。吴健雄一向对科学文献极其熟悉,她知道安伯勒在早几年曾经做过钴(C60O)极化的实验,因此她便找上了安伯勒,邀请他共同来进行这一个后来改变历史的实验。

安伯勒对这个实验的β衰变效应知道不多,他问吴健雄,这会显现出很大的不对称效应吗?

吴健雄给了他肯定的回答,这使得安伯勒大感兴趣。在吴健雄找安伯勒合作时,虽然她早已在原子核物理界享有盛誉,做低温物理研究的安伯勒,却全然不知道她是何方神圣。于是他就打电话给一位原子核物理学家乔治·田默。安伯勒在电话中问田默:“乔治,哥伦比亚大学有一位女科学家叫吴健雄打电话给我,她提出的实验十分有趣。告诉我,她有多好?我现在应该去做这个实验吗?”田默说:“她是挺厉害的。”于是安伯勒打电话给吴健雄表示乐意共同进行实验。

吴健雄积极地进行实验准备之时,杨振宁、李政道的对宇称守恒的质疑已经广为物理界所知悉。但是在那个时候,绝大多数人对于宇称可能会不守恒是极度怀疑的。因此那个时候真正准备进行那个实验的,除了吴健雄之外,大概是寥寥无几了。

由6月初到7月底的两个月当中,吴健雄已经就原子核物理在低温环境中可能有的各种影响,做了再三的试验,详细了解了各种可能性,甚至是极细微的影响效应。吴健雄后来说,如果早知道实验观测到的不对称效应是这么大的话,也许可以免去如此细密的查验工作。但是,她还是认为,周全的准备总是值得尽全力去做的。

吴健雄的实验在概念上是很简明的。主要是利用一个很强的放射源,然后在适当控制下极化这个β放射源,使其具有某一个方向性,再放在一个利于观测的环境中,测量这个放射源是不是有一种先天的方向性。但是,要检验这个简明概念的实验设计,却是困难而复杂的。

首先,选用钴(C60O)的原因就不简单。钴(C60O)每秒钟会放射出上万个电子,是极好的放射源,此外更重要的是其放射电子的衰变,只改变自旋数而不改变宇称。这正是在β衰变方面有最权威知识的吴健雄,立即知道要选择钴(C60O)的原因。

接着就是要使这个放射源极化,使放出的电子有一个方向性。根据安伯勒早些年做出的极化技术,钴(C60O)放射源必须附在一种晶体表层上,再利用很强的磁场使其放射的电子有一个方向性。为了消除因原子内部扰动造成的干扰,必须将整个晶体和放射源都置于极冷的环境中,要造成这种极冷的环境,除了利用液态氮先将温度降至-270℃左右之外,还要再利用将一个作用在晶体上很强磁场消除的技术,使温度再度下降,达到比-273℃绝对零度只稍高千分之几度的极冷低温。

起初,吴健雄的实验组做了几个具有放射源的晶体,她把这些晶体带到华盛顿,放入国家标准局实验室极冷环境中,发现放射源极化只能维持几秒钟,根本无法进行观测。极化为什么会这么快消失呢?吴健雄查了许多资料,最后找到极化很快消失的原因,是放射源辐射产生的热使温度升高而有扰动造成的。为了解决这个问题,必须用一个大的晶体把整个带放射源的小晶体屏蔽其中,阻隔温度上升。这样一来,他们又面临了生长出大晶体的重大困难。

生长晶体是化学领域中专门的技术。昊健雄请教了一些化学晶体专家,结果发现,要得到实验所需要的那样大小的晶体,必须要有精密的设备和很长时间才能完成。吴健雄那个时候既没有太多经费,时间又相当紧迫。于是她让化学实验助理佛列许曼到化学系图书馆找出所有有关这种晶体的资料。佛列许曼在化学系图书馆书架顶上,找到了一本盖满了灰尘、十分厚重、半个世纪前德国出版的有关晶体资料的参考书。吴健雄在这本书里找到了许多她想知道的关于晶体的知识,凭着这些知识,她和她的研究生在哥伦比亚大学普平物理实验大楼地下的实验室中,开始了生长晶体的工作。起初,她们只能生长出几毫米大小的晶体,但是这种大小却不符合实验的要求。

一天晚上,她的一位女研究生毕阿娃提把一些制晶体的化学成分带回家去,她在做晚饭时,把装有晶体成分的玻璃烧杯放在炉台上,由于炉台的温度,在烧杯中融入了大量的晶体化学成分,第二天早上,意外地发现在烧杯中长出了一块1厘米左右的晶体,透明剔亮,十分漂亮。吴健雄见到这个结果,喜出望外,聪明的她马上就想到一个克服困难的办法,就是利用灯光加热并且让晶体均匀冷却的方式,来大量生长晶体。她们在实验室中花了三个星期的时间,得到十个足够大的、完美的单晶。

有了这些被安伯勒称为“像钻石一样美丽的晶体”之后,吴健雄和4个国家标准局的科学家,正式开始他们的实验。科学实验碰上各种困难,本来就是科学家最大的挑战,吴健雄他们从事的实验,由于特别精细和复杂,因此更是遭遇许多意想不到的问题,进展也十分不顺利。

有一次,他们为了将晶体组合起来,形成一个大的屏蔽,必须在晶体上钻孔,再将之粘合起来,他们得到晶体专家的意见,才知道要用压力向内的牙医牙钻钻孔,才不会使很薄的晶体崩裂。而粘合晶体的粘接剂,在极低的温度中会失效,他们又改用肥皂,甚至用尼龙细线绑住。另外,如何克服在液态氮低温下,液体变成超流体而引起的外泄问题,以及如何将在低温环境的β衰变的测量,利用一枝长的透明树脂棒导出观测等,都花了相当多工夫。凭着吴健雄和国家标准局4位科学家过去的多年经验,才一一克服了这些困难。

在实验的进行过程中,由于吴健雄在哥伦比亚大学还有教学和研究工作,因此每个星期总是华盛顿和纽约两头跑,并不是所有的时间都在国家标准局的实验室。11月间,实验显示出一个很大的效应,大家都很兴奋,吴健雄得到消息赶紧赶过去,一看,觉得那个效应太大,不可能是所要的结果。后来,他们检查了实验装置,发现这个太大的效应果然是由于里面的实验物件,因磁场造成应力而塌垮了所造成的。他们经过重新安排,到12月中旬,再次看到一个比较小的效应,吴健雄断定这才是他们要找的效应。

吴健雄一向是以实验谨慎精确著称的,因此尽管他们找到了初步结果,但是她的态度依然是谨慎的,她认为在向外宣布结果以前,必须经过更多更精确的查证。在这同时,吴健雄还指导她的研究生,开始进行一些数据处理及计算,看一看实验数据是否真正显示了β衰变的宇称不守恒效应。

随着吴健雄实验的进展,物理学界已渐渐开始有更多人谈论这件事,不同的故事和传言纷纷出现,形成了一种极端热烈的气氛。但是有很多很有名气的科学家都认为检验弱相互作用中宇称是否守恒的实验是一个疯狂的实验,做这个实验的人简直是浪费时间。就连在美国科学界才华横溢、以质疑尖锐、一生轶事多著称的费曼还提议,以一万比一来赌这个实验绝不会成功。

吴健雄在外界的巨大压力之下,一点儿也没有掉以轻心。1956年圣诞节时,他们的实验差不多已经是成功了。但是吴健雄十分担心,一方面她很难相信自然会有如此奇怪的现象,另一方面也怕他们在实验中犯了什么错误,于是她决定暂时不向外界透露实验的结果。

吴健雄在1月2日那天,从纽约回到华盛顿的国家标准局。她和4位合作者再次详细核验他们的实验。由1月2日到8日,是他们实验工作最繁忙的一段时间,他们一次一次地把温度降到液态氮的低温,检验所有可能推翻他们结果的因素。那时候,研究生哈泼斯总是用一个睡袋睡在实验室地板上,每当温度降到所需的低温,他就打电话通知吴健雄和其他三人,在寒冷的冬夜里,赶到实验室去工作。

1月9日凌晨两点钟,他们终于将预定要进行的实验查证全都做完,5个从事这项实验的科学家聚在实验室中,庆祝这个科学史上的伟大时刻。哈德森笑着打开他的抽屉,从里面拿出一瓶法国红酒和几个纸杯放在桌上,然后他们为推翻宇称守恒定律而干杯。他们高兴地欢呼着:“好了,β衰变中的宇称定律已经死了!”

伟大的对称性革命对一般人来说,宇称不守恒也许还是晦涩难懂,对于科学家来说,这却是无可比拟的一个重大的革命性进展。吴健雄在完成实验后,有两个星期的时间完全无法入睡。她一再地自问,为了什么老天爷要她来揭示这个奥秘?她说:“这件事给我一个教训,就是永远不要把所谓‘不验自明’的定律看做是必然的。”

宇称不守恒的科学革命,当时被认为是那个10年中,物理学上最重要的一项科学成果。吴健雄在柏克莱时代的老师塞格瑞,在他写的一本书中说,这可能是战后最伟大的理论发现。在这项革命中有关键性贡献的吴健雄,在1962年当选纽约市年度女性之后,接受访问时说起这项科学成就的意义:“从1956年以后,那方面的研究又有许多进展,但是没有人知道会发展到什么情况。就好像在1906年问年轻的爱因斯坦,他的公式E=mc2会有什么用处一样。这花了35年,直到芝加哥史塔格体育场下头一个发应器建立起来,才得到了答案。”

宇称不守恒的科学变革,不但在科学上影响深远,对中国人更有不同的意义,对中国在科学文化上也有特殊的意义,原因是对这个科学成就作出最大贡献的,正是三位华裔科学家。

这三位华裔物理学家的成就显现出,如果中国这个伟大的国家,恢复其作为一个世界文明领导者的历史角色之后,对物理学作出的贡献可能会更加令人震撼。那时世界各国人民将会像早期欧洲旅行者目击当时中国的光辉文明那样,惊讶不已。

机器人的发明

自从世界进入技术时代以来,人们就开始了对自动化技术的探索,幻想能够制造出一种自动化的智能工具来代替人的部分体力和脑力劳动,去做一些靠人的自身能力很难做到的事。于是一个用电器元件或电子仪器控制的,能够模拟人的四肢动作和部分感觉(甚至具有思维能力)的机械装置便在人们的头脑中诞生了,这就是机器人。

这个长期以来的愿望直到20世纪60年代后期才被实现。1966年,一个具有极简单智能的机器人雏形问世了。这是一种只能听从固定和变换工作程序的指令,并能进行简单机械动作的装置,被称为第一代机器人。当时,一架载有氢弹的美国飞机在地中海上空不幸遇难,一枚氢弹坠入海中。为了避免弹体核燃料因破损渗漏产生辐射对打捞人员造成伤害,一个装有电视眼和机械手的简易装置被制造出来。利用它,科学家们毫不费力就将氢弹安全地打捞了上来。同年,美国某家医院安装医疗装备放射线源时,有半支香烟头大小的放射性钻C60掉了出来,结果也是用这种简单的机械人拾起,并放入铅盒内的。

从此,机器人引起了各国科学家们的广泛注意和研究。仅在1967年,美国就有75台机器人用于生产。这一年,苏联的人造月球卫星就是指派机器人挖取月球岩石和土壤试样的。

第二代机器人已经具有视觉和触觉功能,能在“理解”周围环境的情况下进行工作,是在20世纪60年代末小型电子计算机广泛推广使用和价格降低的条件下出现的。它由电子计算机控制、存贮和处理周围环境反馈的信息,进行判断,然后按既定的要求进行操作。制造第二代机器人的设想早在1958年就在美国被提出来。1961年底,科学家研制出的用电子数字计算机控制的机械手模型,在近10年后才得到推广使用。1970年,丹麦人索伦森制成一个可以操纵挖掘机的电子液压控制式机器人;美国同时也研制出模仿人的肩、肘、腕和手指动作的机器人,可以用几种速度连续行走。以后世界上又陆续出现了有触觉和重量感的机器人。

第三代机器人是具有人的简单智力和学习功能的机器人。它能满足两种基本要求:一种是具有较大的自由度和灵活性,能在复杂条件下完成多种处理物品的形状和相对位置的任务;另一种是具有识别环境及其变化,并作出正确判断和进行工作的能力,具有进行联系“思考”

和学习的能力。

20世纪70年代初,日本科学家研制成功具备“手—眼”装置和带触觉手的智能型机器人。

它有两只眼,一只眼用于看图纸,另一只眼协助机械手进行装配,依靠两只眼的协调配合,完成对图纸设计的实际装配工作。1973年7月,日本早稻田大学研制成一种有腿的机器人。它具有人造耳,可根据人们的口头指令作出反应。它还具有识别物品的人造眼和有触觉的人造手,以及可作出简单回答的人造口。这项研制标志着机器人的发展进入了一个新阶段。1974年,美国航空航天局和加省理工学院又研制成具有电视摄像机和激光器功能的人造眼和编入几千个指令的电脑,用于对月球表面进行科学考察。

到1978年,智能机器人已发展成具备某些视觉、触觉和温度感应功能,能讲简单的语言和识别图纸与图像,并能对指令作出反应和执行操作。不同类型和用途的机器人已大量应用于生产线上,在陆上、水下和月球表面等人难以或不可能进行工作的地方,机器人都可以大显身手。

目前,全球科技工作者对机器人的研制正向着进一步模拟人的部分智能和感觉的方向迅速发展。2000年底日本几家公司还研制成功了能与人一样行走和打乒乓球的机器人。

微型计算机的发展

第一代电子计算机在20世纪40年代出现后,人们曾预言,有朝一日将出现一种具有战略意义的,能够处理全美国所有数据的大型电脑。但是当集成电路在20世纪60年代发明后,电子计算机实际上走的是一条与人们的预言完全相左的发展道路,一种以微处理机为核心,加上由大规模集成电路(SLI)实现的存储、输入—输出接口、系统总线所组装的微型计算机,逐渐成为计算机发展的主流,并最终成为现时代发展的象征。