书城科普读物新编科技大博览(B卷)——探索神秘的科学未知
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第24章 科学未知(3)

虽然电场水的作用机理还不清楚,但电场水的一些现象可用来造福于人类却是毫无疑问的。例如,根据电场处理过的水蒸发变慢且抑制霉菌生长,考虑到水果和粮食里面也含有大量水分,电场应有利于水果和粮食的贮存。实验表明的确如此。用15千伏的高压直流电源,苹果离上面的电极30毫米,苹果下面是接地的金属板,把苹果放在电场中停留5分钟后取出,与没处理过的一起观察对比。14天后,没有处理的苹果表皮失却了光泽且发皱,而处理过的苹果则仍像原来一样新鲜。若用高压交流电场处理苹果,其结果虽比没处理的好一些,但仍不能使苹果不霉烂。甜瓜则不然,无论是交流还是直流电场,只要处理3—5分钟,15天后仍新鲜如初,而没处理过的对照组则发霉了。用15千伏交流电场处理过的甘薯,30天后仍红润如初,捏着是硬朗的,用刀切可形成整齐的断面,而没经处理的对照组则失去了特有的红色而变乌了,手捏可变形,感到柔软,刀切后形成不了规则的断面。

谷物经电场处理后,即使经过烹调,仍然有电场的影响残留。例如,将电场处理过的小豆和没处理过的小豆煮熟,放置在空气中,13天后,用电场处理过的小豆仍保持刚煮熟时的样子,而没处理过的则在其上生了一层白霜。将经电场处理过的大米和未处理过的分别同时做成饭,10天后,没有处理过的米饭有黑霉覆盖,而用交流高压电场处理过的米做成的米饭则完全没有霉生成(用直流高压电场处理过的米饭上有霉生成但霉比未处理过的少),再经过10天就完全变干了,以后10个月都不发霉。更令人惊奇的是,处理过的谷物做成的饭不但变得比没处理过的好吃,而且重量也增加了百分之九左右。

放电现象探秘

在世界上许多国家都发现了奇怪的放电现象,这种放电现象都造成了一定的破坏。可是对这种奇怪的现象,至今还没有一种令人满意的解释。

早在1817年1月的一天,在美国绿山山脉的许多地方的上空大气层里可以看到一种发光现象。这种发光现象很像蜡烛火焰,往往出现在向上突起或带尖的物体上方空间。正在行走的人会突然看到自己头部周围环绕着这种光,或被比阳光弱的光团包围着。当地的人们只要举起自己的手,好像光就从手指发出。

1894年12月的一天,美国怀俄明州拉腊米堡地方也发生了一次奇异的放电现象。那天上午10点左右,下起了一阵罕见的暴风雨,一直延续到下午7点。风力最大的时候,许多坚固的建筑也都毁于一旦。在暴风雨大作的时候,许多地方都能明显地感受到电流的存在。有些用铁丝绑的篱笆都着了火,没用铁丝绑的篱笆则安然无恙。有的牛因触到了带电的篱笆而被电死。有人因碰到金属上而受到了电击,好几个月都不能恢复正常。

1964年3月3日,亚利桑那州的图森市也遭受了一场罕见的暴风雪的袭击,同时也发生了一种更为罕见的放电现象。在整个下雪过程中,在这座城市的上空不断出现一种短暂的“闪光”现象,每次间隔的时间大约为15~20秒。这次放电有许多奇异的特征,它是一种单一出现的短暂“闪光”现象,不像通常闪光那样往往伴随着一种忽隐忽现的闪动,不像普通闪电进行得那样激烈、迅猛,也看不出它们与周围笼罩着的一片黑暗阴影形成界限分明、强烈的对比。另外,当这种闪光出现时,没有听到过一次雷声,同时也没有发现它与无线电中出现的静电干扰两者之间有任何关系。这种闪光是从一些在地面上或十分接近地面的地方产生的,它照亮了飘落的雪花和周围的云层。

1971年5月11日,在美国新墨西哥州东南白沙的一片石膏岩沙丘地带,人们也发现了一次有趣的放电现象。这一天狂风大作,正当强风把沙石漫天吹起的时候,从沙丘顶部一直往上到它上面几米的上空这样大的范围内,都可看到电火花现象出现。这些电火花沿着直线向上延伸,看不出有任何分岔现象,通过仪器看到,这时有非常剧烈的电场梯度变化,其变化量的极性有正向的,也有负向的。

对这种奇怪的放电现象,人们做出了各种各样的解释。

对1971年新墨西哥州发生的那次放电现象,有人分析,是由于某些电流通过空间电荷管状区,引起空间电荷密度的相应突变而出现的。

对1964年发生在亚利桑那州的那次放电事件,有人做过这样的分析:在湿润的雪花上,存在着相互隔离,以小阱方式存在的电荷被带到地面,在这场暴风雨进入尾声的时候,最后把空间电荷耗尽了,便形成了这种放电现象。

要想对这种放电现象做出令人满意的解释,还需掌握更多的有力证据。

球形闪电之谜

闪电有多种形状,其中树枝形闪电是人们最常见的,但偶尔也能见到一种球形闪电,这种闪电神秘莫测,引起了人们的极大兴趣。

1963年3月的一天,美国东方航空公司539号班机正从纽约飞往华盛顿,机舱里只有两个人,一名乘客和一名空中小姐。他们俩分别坐在走廊两侧,正在打瞌睡。他俩被飞机的剧烈抖动惊醒,四下一看,发现在机舱门口有一个圆形的火球,颜色白色偏蓝,直径大约二十厘米。不一会儿,火球便沿着机舱走廊向后滚动,来到机舱后面厕所门口时,便突然消失了。

有一天,法国科学家费拉马利昂正呆在家里,不知打哪里跑出一个亮闪闪的火球,一直滚到他的脚边。他急忙躲开,可没想到这个火球竟步步紧逼,顺着他的脚跟往身上爬,爬过头顶,又升到屋顶,然后又无声无息地钻进了烟囱。紧接着便听到一声沉闷的爆炸声,烟囱坍塌了,火球也随之消失。

在苏联的一个集体农庄里,有两个小孩正在牛棚的屋檐下避雨。他们突然发现牛棚前的一棵白杨树上,有个橙黄色的火球在树枝上跳来跳去,后来跳到地面上,直向牛棚滚来。火球就像烧红的钢水,火星四溅。两个孩子吓得大气都不敢出。当火球跑到他们跟前时,年纪小点的孩子踢了它一脚,只听见轰隆一声,火球爆炸了。两个孩子被这一声巨响震倒在地,奇怪的是一点也没伤着,可关在牛棚里的12头奶牛,却只活下来一头。

在美国一个名叫龙尼昂维尔的小镇,还发生过一件球状闪电钻进一家的冰箱,把里面的鸭子烧熟了的事,把菜和蛋也给煮熟了。可它是怎样钻进冰箱的?怎样把冰箱变成了电烤炉,把里面的食品都给弄熟了?更离奇的是,冰箱不但没有损坏,而且还可照常使用。这些都太费解了。

许多科学家把自己的目光投向了球形闪电,有人还为它献出了生命,这个人就是俄国科学家里奇曼。他试图像富兰克林那样,用风筝进行试验时,结果一个拳头般大小的淡蓝色火球,悄悄飞到他的脸上,随后便爆炸了。里奇曼随着爆炸声倒在了地上,再也没有起来。球形闪电在他的前额上留下了一个红斑,还在他一只鞋底上打穿了两个洞。

这并没能阻止人们对球形闪电的研究。一个偶然的机会,苏联大气物理学家德米特里耶夫采集到了球形闪电经过地方的空气样品,经分析,样品中的臭氧和二氧化氮都超过了正常值。但是,臭氧和二氧化氮并不能完全解释为什么球形闪电要比线形闪电持续的时间多得多,这种闪电的能量是怎么来的。

后来,苏联科学院的斯米尔诺夫对球形闪电又提出了一个新的观点,认为火球的能量与臭氧有关。在臭氧集中的地方,空气中温度就会急剧上升,于是便出现了火球,火球内部的温度大约在1500—2000℃之间,在这样高温下的氮分子非常活跃,与氧相互作用而生成二氧化氮。二氧化氮不像臭氧那样不稳定,即使在2000℃的高温下,它也是稳定的,这就是球形闪电比线形闪电持续时间长的原因。但这种观点还未得到科学界的普遍认可。

接下来还有火球为什么会发光的问题。有人认为是有种气体落入臭氧中,加速了它的分解,从而引起发光。但这种气体到底是个什么东西,它又是如何加速臭氧的分解而引起发光,这仍是一个未解之谜。

空气的来源探秘

空气、阳光、水被称为生命三要素,但是在这三要素中,空气对于我们人类来说是更为重要的。人在没有阳光照射时会活很长时间,没有水,人也可以生存5~10天,然而没有空气,人只能活几分钟甚至更短。其实我们呼吸空气只是呼吸空气中的那一部分氧气,氧气是生命活动的根本,氧气从呼吸道进入体内通过血氧交换到达全身各部,使机体组织细胞能够新陈代谢,进行着正常的生理活动。

氧气在空气中以体积计算约占21%,以重量计算约占23%。空气中含量最多的是氮气,按上述两个方面计算分别占78%和75.5%,另外空气中还有水蒸气、二氧化碳、氩、氖等气体。空气在标准状态下每公升重约1.29克,随着距离地面越高空气则越稀薄。

但是空气最早是怎么形成的呢?

根据天文学家推测,行星是由一些巨大的气体和尘埃旋转而形成的,而构成这些气体尘埃的各种元素比例,一般等于它们在宇宙中所占的百分比。在地球形成之前与其他行星一样,其构成约有90%是氢原子,9%是氦,其余还有极少量的氖、氧、碳等元素。地球的尘埃在高速旋转中逐渐靠拢形成一个核心,这就是地核的雏形。在构成之中一些气体也被笼绕在圆体形成物中间,这些堆积物越来越大,使其内部的压力越来越高,因而最后造成火山喷发。这些被裹在地表以下的气体则喷发出来,其中的氢不是被燃烧,就是由于其比重太轻,而迅速脱离地球逃逸了。氖、氦也同氢一样消失了。而剩下来的气体不是由于比重较大,就是由于水蒸气的凝结而来不及逃逸的,这就形成了大气,它包绕了地球的表面。这些剩余的气体有水蒸气、氨、甲烷和少量的氩。水蒸气冷凝后便落到地球表面,于是就形成了海洋。

这些大气由于太阳紫外线的辐射,其中水蒸气又分解成氧和氢,氢又逃逸掉了,于是仅剩下氧,氧与氨化合生成氮和水,与甲烷化合生成二氧化碳和水,这就是地球在几百亿年生命开始之前的大气。氮和氧作为生命的始初物质,为生命的诞生和孕育作出了极为突出的贡献。

随着生命在偶然的情况下出现以及臭氧层形成的保护层之下,生命的光合作用开始进行,于是大气中的二氧化碳被吸收,同时释放出氧气,地球才真正地走向了能够孕育生命和利于生命生长的正常轨道。这些大约距今有五亿年了。我们今天生活在这种被我们称之为空气的大气中,当然也是一个偶然的机会了。

以上所说的这一切只是我们根据对于其他星球观测到的现象而对地球大气形成的一种推理,至于为什么众多的比地球还古老的星球最终并未产生生命,是不是与大气的构成有关,我们目前尚无法回答;同样对于我们地球本身的这种大气形成机理,也不敢说就是如此之明确。因而,空气的形成对于我们来说不仅仅是千古之谜了。

金属疲劳探秘

谈到金属疲劳,大家一定觉得很奇怪,难道金属也会疲劳吗?会的。它跟人一样,超过了一定限度,就会疲劳。

我们不妨用铁丝做个实验,如果直着去拉,那是很难折断的,但要是反复弯折,就很容易弄断了。这说明,像钢铁这样的金属,在反复变化的外力作用下,它的强度要比在不变外力作用下小得多。人们便把这种现象叫做金属疲劳。

金属虽然像人一样会发生疲劳,但却同人的疲劳有着本质的区别;人疲劳后,经过一定的休息就可以恢复,而金属疲劳则永远不能恢复,因而造成许多恶性破坏事故,如轮船沉没,飞机坠毁,桥梁倒塌等。据估计,在现代机器设备中,有80%——90%的零部件的损坏,都是由金属疲劳造成的。因为金属部件所受的外力超过一定限度,在材料内部抵抗最弱的地方,会出现人眼察觉不到的裂纹。如果部件所受外力不变,微小的裂纹就不会发展,材料也不易损坏。如果部件所受的是一种方向或大小经常重复变化的外力,那么,金属材料内部的微小裂纹就会时而张开,时而相压,时而互相研磨,使裂纹扩大和发展。当裂纹扩大到一定程度,金属材料被削弱到不再能承担外力时,只要有一点偶然的冲击,零部件就会发生断裂。所以,金属疲劳造成的破坏往往都是突如其来,没有明显的迹象让人察觉。

金属“疲劳”一词,最早是由法国学者J·V.彭赛提出来的。但对金属疲劳进行研究的,则是德国科学家A·沃勒,他在19世纪50年代就发现了表现金属疲劳特性的S——N曲线,并提出了疲劳极限的概念。尽管对金属疲劳的研究已经有100多年了,作为综合性的应用学科,已经从物理学中的固体力学和金属物理学领域中分离出来,但许多问题仍没有得到解决。

现在,人们对金属疲劳问题仍在不懈地探索着。其中人们最为关注的,是如何对现代化工业设备采取预防和保护措施,防患于未然。比如,选择具有较高抗疲劳性能的材料、防止应力集中、合理布局结构、提高构件表面加工质量和采用一些新技术和新工艺等。