书城科普《物理知识篇》(下)(科普知识百科全书)
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第12章 原子时代(3)

1931年,奥地利物理学家泡利出来说话了,说是放射物质的放射线β中,不仅有电子,同时还有一种我们尚不认识的粒子,这是个未露面的“小偷”,就是它带走了丢失的能量。大物理学家费米十分欣赏泡利的观点,还给这种未露面的粒子取了个正式名字:中微子——中性的微小粒子。

在当年,科学家发现的基本粒子非常少,对中微子的理论,大多不相信,甚至认为,这只是找个理由来维护能量守恒定律,保住物理理论大厦。至于那个“小偷”,犹如幽灵,是抓不到的。

捕捉中微子的工作,比设想的要困难得多。中微子是中性粒子,不带电,不参与电磁作用,不惹是生非;它的运动速度很快,接近光速,穿透力强,来无踪去无影。从假设存在中微子,直到捕捉到手,共用了25年的时间。

首先是中国科学家王淦昌写论文,提出了《探测中微子的建议》,设想了一个探测方法。这是1942年,王淦昌很年轻,风华正茂。他的建议,为一位美国科学家接受。通过实验证实了丢失的能量的确是被中微子带走了。

经过漫长的搜寻过程,1956年,美国科学家柯文和莱因斯宣布,他们捉到了中微子。他们做了一个很大的探测器,埋在一个核反应堆的地下,埋得很深,经过相当长的时间,测到了从核反应堆中放出来的中微子束。

十几年以后,人们才捕捉到从宇宙空间射来的中微子,科学家做了一个直径6米的大桶,埋在一个很深的金矿中,构成一架“中微子望远镜”,也捕捉到了中微子。

神秘的中微子终于露面了,然而,科学家仍然没有完全看清它的真面目,留下了一些新的难以破解的谜。

在探测中微子的时候,科学家的第一个感觉是数量不够,总是比预期数量少,而且“漏网”的数量很大,为什么不能全部捕捉到呢?

再一个重大问题是:中微子的质量问题。质量,静止质量是粒子的重要性质,确定其它各种粒子的质量,没有什么困难,顺顺当当地解决了,唯有中微子的质量怎么也定不下来。在科学界,有种种不同认识,还有种种相互矛盾的观测记录。中微子,仍然保留着神秘的色彩。

有人说,中微子的质量是零,因为没有质量,中微子才能在真空中以光速运动。这是根据美籍华裔科学家杨振宁和李政道的理论进行分析,得出来的结论。

当然,也有怀疑的人,说这个问题要通过实际观测来确定。在前苏联和美国都有科学家在进行脚踏实地的测定,同时宣布说,已经测到了中微子的质量,并把数据列举了出来,好像已经找到可靠的证据。过了几年,由别人来重复他们的实验,数据又变了,好像应该是零。

实测结果并不确定,依然定不下来。

1987年,天文学家观测到空间有一颗超新星爆炸,爆炸以后必然会抛出大量中微子,总有一部分中微子从宇宙空间闯到地球上来,科学家们纷纷启动仪器进行观测。观测结果千差万别,有的说中微子是有质量;有的说质量非常小,几乎没有;有的则明确地说,质量为零。

中微子,微小,渺小。它那么轻,轻得没有质量,却留给人们一连串谜。科学家们非常重视这些谜,不仅物理学家关心,天文学家也关心。

宇宙间的各个星系,往往聚集成星系团,这是因为各星系之间存在着强大的引力。如果没有强大的引力,就不会聚集成团,而会走向分离,越离越远。

这个强大的引力从哪儿来?大家都认为来自星系的质量。可是,仔细计算一下,问题又来了:星系的总质量不足以提供那么强大的引力,最多只能提供20%,短缺的质量达到80%。

从哪儿去寻找那些短缺的质量呢?

从宇宙中密度极大的中微子身上去寻找,只要中微子有质量,就可以弥补那些短缺的质量。

这些想法正确吗?不敢说。中微子原来像个幽灵,难以寻觅;现在捕捉到手,却又那么神秘,留下了一连串谜。

从未听说过的超流冷,冷,冷!哪儿最冷?

在地球上,最冷的地方在南极,曾记录到-88℃的低温。科学家却说,这只是“普冷”,普普通通的冷,还有更冷的地方,那就是实验室。

物理学家为了把气体变成液体,在实验室制造出比南极更冷的环境,冷到零下200℃。冷到这个地步,好多气体,包括氮和氧都成了液体;冷到这个地步,出现了好多怪现象,橡皮球失去了弹性,扔到地上不会弹跳,而脆得像玻璃,碎了。还有,会流动的水银变得梆梆硬,能拿来当锤子使……这还不算冷,在实验室里又制造出比-200℃更冷的环境,在-253℃的时候,氢气变成了液体。最难液化的氦气,经过艰辛的努力,终于在-269℃的时候,也成为了液体。到此为止,所有的气体都被液化了。

在这么冷的环境里,怪现象更为奇特。第一个现象是超导现象,导体的电阻消失了,电流在导体里永远流动着;磁铁不再吸铁,而悬浮在空中。超导的宣传很多,大家也许已知道了;而第二个现象——超流,却很少有人知道,也许从未听说过。

超流特别怪:液体都有流动性,而且都是向下流;可是真怪,在超低温的实验室里,液体不仅往低处流,居然也会往高处走,盛在杯子里的液体,会沿着杯子内壁向上走,又从杯子外壁流下来,好像给杯子内外壁贴上了一层薄膜。

把杯子盖上盖子,也很容易“流”出来。

这是一种从未见过的液体,从未见过的怪现象,首先发现这一怪现象的人是物理学家卡皮察。卡皮察是前苏联人,1921年赴英国留学,学成后便居住在英国从事科学研究,研究工作很出色。英国皇家学会打破了200多年来从不吸收外国人为会员的规矩,破例吸收了卡皮察。

1934年,为探望母亲,卡皮察返回前苏联,再没到英国去。前苏联政府把卡皮察使用过的全套设备从英国买了回来,建立了一个物理研究所。

1938年,卡皮察发现,当温度从-269℃下降到-271℃(仅仅下降2℃)的时候,液态氦突然变成了一种从未见过的液体。他把这种液化氦叫作“氦Ⅱ”。

为了测量氦Ⅱ的粘滞性,卡皮察用一种方法强迫氦Ⅱ从两块平滑的光学玻璃片通过,两块玻璃片之间缝隙极其微小,氦Ⅱ竟以无法测定的速度通过了缝隙。后来,其他科学家也发现氦Ⅱ很容易流过直径只有几分之一微米的毛细管。氦Ⅱ的粘滞性只是水的十亿分之一,几乎等于零。

这种超流动性,就简称超流。

在-271℃和-272℃的时候,氦Ⅱ没有摩擦力,没有粘滞性,也没有表面张力,能顺畅地通过微孔——万分之一厘米的微孔。千万不能把氦Ⅱ装在没上釉的陶罐里、陶壶里,这样它会从那些看不见的微孔中流走。这时的陶罐、陶壶,不再是容器,而成了“过滤网”,大漏特漏。因此,最好把氦Ⅱ装在玻璃容器里,不过,它又会沿着容器的壁向上爬,像刚才说的,从内壁爬向外壁。

氦Ⅱ的超流现象还有奇怪的哩。一般的液体,比如一桶水,手提水桶,转动水桶,桶中的水会随着桶转动。而氦Ⅱ却不,慢慢地转动容器,氦Ⅱ不随着容器转,而是静止不动。如果液面上放一根指针,让指针指向北极星,无论怎么转动,指针始终指向北极星。这就是说,桶动它不动,而且是相对恒星静止不动。许多科学家的试验,证实了这一怪现象。

超流最奇特的现象是喷泉效应。这个实验请看参考图,图中容器中盛着一些氦Ⅱ,其中放着一个类似眼药瓶的管子,管口很细,管内装满了黑色的金刚砂粒,金刚砂很细,用棉花塞堵紧。用手电筒的光(并不强的光)照射时,黑色金刚砂吸收了热,温度稍稍提高,氦Ⅱ就涌入“眼药瓶”,从管口向高处喷射出来。这个小喷泉可喷到30厘米高,与小容器相比,可称得上壮观了。

为什么液氦的个性那么特别?

至今仍是一个没有结论的秘密。有人认为,液氦虽然是液体,但具备气体的特点。液体密度比气体大得多,原子之间的间距小,而液氦的密度并不大,很小,只是水的0.08~0.14倍,原子之间的间距大。看起来,液氦很像气体,但却又不是气体,气体会充满整个容器。

在这篇短文里,我们很难把这个问题说清。它仍然是一个需要深入研究的问题,超流现象中提出的为什么,包含着许多个不知道,仅仅用经典物理学已无法解释这些怪现象。科学家们早已看出来,是量子力学在起作用,这正是超流现象吸引人的地方,吸引着当代的科学家,必然也会吸引着未来的科学家。

说不定哪一天,通过超流现象的研究,基础理论会有所突破;说不定哪一天,超流现象会启示人们搞出个新发明来。

自杀,还是他杀

火车有汽笛,轮船也有汽笛。火车的汽笛声调高,发出尖锐的啸声,提醒人们赶快闪开;轮船的汽笛声调低,低沉得显出缓慢,意在提醒远处的船只,注意小心。人们并没有在意到,轮船汽笛声,可以传到16千米以外的海面上。

这时候,汽笛声的频率为26赫兹。

如果声音的频率再低,降到20赫兹以下,人的耳朵就听不见了。这种声音叫“次声”。

在大自然中,地震和火山爆发的时候,会出现次声;海浪冲击,海上出现风暴的时候,也会出现次声。次声是人耳听不见的声音,于是就引出了一些不知道的故事。

在这些不知道的故事中,有说到百慕大三角的,说那么多海船在这个魔鬼三角遇难,都是次声造成的。有说鲸的集体自杀不是自杀,而是他杀,祸首就是次声。

这里,先说说鲸的集体自杀。关于鲸的集体自杀事件,报道很多很多。这里列举几件:

1970年1月11日,美国佛罗里达州附近的海面上,150多头小逆戟鲸突然冲上沙滩,人们试着把它们拖回大海,可是鲸一次一次冲向沙滩,全部死亡。

1979年7月17日,加拿大欧斯峡角海湾也发现鲸冲上海滩,135头巨头鲸躺在沙滩上,渔民们开足水龙头,企图把鲸赶回大海,可硬赶不回去,所有的鲸“自杀”而死。

在我国,在澳大利亚的海滩上,也出现过鲸的集体自杀事件,场面十分悲壮。

鲸的逃生本领十分高强,曾经有一头长达6米的白鲸,误入莱茵河,游到了德国的波恩,德国人起了活捉白鲸的念头,发射了麻醉弹,阻截捕捞,到头来也没捕到,白鲸又从莱茵河游回大海去了。

鲸的集体自杀,的确令人难以理解,有人说是鲸的神经错乱了。可是,说一头鲸神经错乱还马马虎虎,说上百头鲸同时神经错乱,就说不过去了。还有人说是误入浅滩,既是“误入”,为什么不退回去,还大批大批冲上沙滩,拒绝解救?

生物学家对鲸的自杀之谜做了分析,研究了133件自杀事件,发现参与自杀的鲸有26种。鲸的自杀没有特定的地域,世界上任何一个海滩都可能是它们自杀的地点。自杀的场地大多是水下有淤泥或是有砂石的海滩,时间大多在风暴来临以前。

原来鲸在水中游,测方向,了解周围的情况,主要不靠眼睛,也不靠耳朵,而是靠向海底发出声音信号,根据回声来测定方向、位置和深浅。在回声测位系统受到干扰,无法判断方向时,就会乱游,误以为游过浅滩就是大海,谁知竟搁浅了。

一头鲸搁浅了,它还会发出遇难信号。鲸具有保护同类的本能,接到信号就会赶来救助。1955年,就有人观察到这种现象,有一头雄鲸受了伤,陷在礁石上,鲸群都在附近游动,不肯离去,有几头鲸游到了岸边。暴风雨降临了,66头鲸冲上了海滩,陷入惊慌和混乱,最后惨死在海滩。

这类事件,引起生物学家的思考,到底鲸是自杀,还是他杀?

这就引起许多推论。有许多报道,主要集中宣传:可能是一头鲸遇难,遇难信号召来了一群鲸,搁浅以后窒息而死。

还有一种说法是次声造成的灾难。

次声确实是与海洋风暴联系在一起的,次声给鲸的伤害,是次声破坏了鲸的回声测位系统呢?还是直接损害了鲸的躯体?这也还是不知道答案的疑问。

不过,次声对人会造成伤害倒是确实的。1968年的一天,在法国的马赛,有几十个人在田间劳动,突然间莫名其妙地失去了知觉,有的躯体散了架,有的血肉模糊了……后来,才知道这是一次事故。在16千米以外,法国国际部曾进行了一场次声武器试验,由于防范不严次声泄漏,波及16千米以外的人。

次声造成的事故,早在20世纪30年代还有过一次,美国一位物理学家把次声发生器带入剧场,结果,周围的观众遭受到次声带来的灾难,表现出惊慌不安,迷惑不解的神情,最后,所有观众都受到了影响。

次声能对人体造成伤害,间接证明了鲸的自杀,并非是自己想死,而是被次声杀死的。次声,为解开鲸自杀之谜增添了一个可选择的答案,同时也使人增添了一种忧患:次声,会不会成为杀人武器?

纳米——1米的十亿分之一古代有个传说,昆仑山的顶峰上有棵参天大树,不知有几千丈高,树顶直插蓝天,谁要是能够沿着这棵大树向上爬,爬到树顶,就能进入天庭。这棵树就是上天的天梯。

古人想上天,却不知道怎么上天,这才想出天梯这个主意。现代人对天梯做了分析,1982年,科普作家朱毅麟在《我们爱科学》杂志上说,上天的天梯应该有35800千米高,谁要是爬到了梯子顶上,就再也不会坠落。这个人就成为一颗地球同步卫星,呆在天上了。