书城科普《物理知识篇》(下)(科普知识百科全书)
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第13章 原子时代(4)

朱毅麟又说,几万千米高的梯子底部必须是直径358千米粗的柱子,才能支撑得住,才不会被自己的重量压弯。天哪,底座那么粗,竟相当一个江苏省的面积。

到了90年代中,一位外国科学家也谈到了天梯。他说,从同步卫星上,扔下一副绳梯来,一直垂到地球表面,人就可以顺着绳梯爬上天去。他说的绳梯,不是麻绳,也不是尼龙绳,普通的绳子都很重,支持不住自身的重量——35800千米长的重量。采用碳纳米管来作绳梯,就能支持得住自身的重量。

碳纳米管,是一个十分新鲜的名词。

碳,你是熟悉的,做铅笔芯的石墨就是碳,很纯的碳。碳纳米管,是指用碳做成的细管,这种管子很细很细,细到不能用普通的尺子来度量,必须使用精确到纳米的尺子。

纳米,是1米的十亿分之一。十亿分之一,没有一个形象的概念,不妨算算看:一个身高1米的儿童,假如身高缩小到千分之一,也就是1毫米的时候就只能与一个句号(。)比高矮了;再缩小千分之一,成为1微米,就没有头发丝粗了,一根头发丝还有70微米粗哩;再缩小千分之一,那么这个儿童就小得用电子显微镜都看不见了。

纳米的尺度的确很小很小,人眼是看不清的。最近一二十年,随着新型显微镜的出现,人们看得清只有1纳米大的物质了,看得见原子了,于是就出现了一门新技术:纳米技术,或者是毫微技术。

碳纳米管,就是用纳米技术造出来的新材料,了解它们特性的专家说,它们可能成为未来理想的超级纤维。

1985年,美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面,意外地发现了碳60。他们分析,它是一个由60个碳原子构成的空心大分子。对不对呢?

当时还不能十分肯定。

1990年,科学家用最新的显微镜——扫描隧道显微镜进行了观察,看到了碳60的直观形象。碳60的外形,特别像一个足球,中心是空的,外边围绕着60个碳原子,碳原子组成了12个五边形和20个正六边形。碳60有一个别名:巴基球,一个巴基球的直径是07纳米。

科技人员很快就发现,碳60可能是实现超导的好材料。我国北京大学对碳60进行研究,把实现超导的温度提高了将近一倍。

人们对巴基球给予了更大的期望,并且以极大的兴趣发现,巴基球还可以做得更大,再增加10个碳原子,还可以做成碳70。有人认为,如果不是只用60个碳原子,而是用9×60个碳原子制成碳540,那么,在室温条件下就可以实现超导!

能不能实现?怎么实现?请把这个问题记在心中。

碳60的发现已经获得了诺贝尔化学奖。科学家们又在想,碳原子不仅可以排列成足球的形状,而且可以排列成圆筒形。球形只能扩大,成为越来越大的球;圆筒形却可以加长,越加越长,成为一根纤维。

现在,碳纳米管已经制成,它的直径是14纳米,每一圈是由10个六边形组成的。要进一步增强它的强度,需要做到长度跟直径之比达到20:1。

碳纳米管的出现,为制造天梯带来了希望。不过,眼前的碳纳米管的数量少得可怜,在实验室里,一次只能制造几克。而当作材料来使用的话,碳纳米管必须每次能制造出几吨或几十吨。这就意味着必须找到大量生产的新方法。

科学家预言会找到新方法,不过,他们又坦率地说,现在还不知道新方法是一个什么样的过程。请把这个问题记在你的心中。

碳纳米管是靠纳米技术制造出来的新材料,它的特点是基本颗粒特别细微。

我们现在使用的常规材料的基本颗粒,看起来很细,实际上很粗。说细,也许它的直径可以细到几毫米几微米;说粗,是说它含几十亿个原子。而纳米技术生产的材料,颗粒非常细微,只含几十个到几万个原子。

超细微的颗粒,组成了纳米材料,立即展现出种种奇异的性能:

纳米铁的断裂应力比常规铁一下子提高了12倍;纳米钢的强度比常规铜高5倍;纳米陶瓷是摔不碎的;用纳米级微粉制出来的录像带真正地实现了高保真,图像清晰,噪音少;常规材料的历史是几千年、几百年,而现在的纳米材料,历史只有几年、十几年。对常规材料,我们已很熟悉,知道的比不知道的多;对纳米材料,我们非常陌生,不知道的比知道的多。

鸡毛比铁球先落地

鸡毛轻,铁球重,从同样的高度向下落,是鸡毛先落地,还是铁球先落地?

答案有3个:一、铁球先落地;二、同时落到地上;三、鸡毛先落地。

读者请先想一想,然后再做出选择。

这里先说一下,这是一个古老的问题,提出问题的人是大名鼎鼎的古希腊哲学家亚里士多德。

公元前300多年的时候,亚里士多德说,物体下落的快慢与它的重量成正比,重的物体落得快。这样,铁球比鸡毛重,自然是先落地的了。这是第一种答案。

由于亚里士多德被西方人尊奉为科学权威,在长达1900多年的时间里,没有人怀疑过亚里士多德的说法,直到16世纪,才有人出来推翻亚里士多德的答案。

这个人是大家熟悉的伽利略。伽利略在《两种新科学的对话》中,用两个人对话的形式,做了一段精彩的推理,推翻了亚里士多德的答案。这段对话,用现代语言简化得通俗一些,大约是这样的:

甲:物体A比物体B重得多,哪个先落地?

乙:按亚里士多德的说法,物体A先落地。

甲:现在把A和B捆在一起,成为A+B呢?

乙:A+B比A重,应该比物体A先落地。

甲:请注意,B比A轻,按亚里士多德的说法,B下落比A慢,A+B以后,B抱着A,下落速度减慢了。A+B应该比物体A后落地。

乙:啊呀,得出了两个相反的结论,亚里士多德的话不能再相信了。

就这样,伽利略巧妙地否定了对亚里士多德的迷信。第一个答案不对了,伽利略提出了第二个答案:同时落到地上。

伽利略说,轻重不同的物体从同一高度下落,应当同时落地。当时,伽利略是个二十五六岁的青年,别人都怀疑他的说法,伽利略决心登上比萨斜塔,当着众人进行一次实验。他一手拿着1磅重的铁球,另一手拿着10磅重的铁球,放开双手,两个铁球同时落到了地上。来观看的学者和民众信服了。

这个着名的实验同时使比萨斜塔出了名,代代相传,成为人们熟知的故事。

这个古老的故事并没有到此完结,在往下说以前,先做一点补充。

在比萨斜塔实验的前几年,比伽利略年纪大得多的斯台文曾经做过一个实验。他用荷兰文写道:“我们拿两只铅球,其中一只比另一只重10倍,把它们从30英尺的高度同时丢下来,落在一块木板或者什么可以发出清晰响声的东西上面,那么,我们会发现轻球并不需要10倍的时间,而是同时落在木板上。因为它们发出的声音像是一个声音一样。”这段话说明,当时不止伽利略,而是一批人发现了我们说的第二个答案:同时落在地上。

传说,伽利略做完比萨斜塔实验以后,仍然有人不服气,提出一个尖锐的问题:鸡毛和铁球,哪个落得快?

伽利略认为,在生活中,的确是鸡毛落得慢,这是鸡毛受到的空气浮力大的缘故。在真空里,鸡毛和铁球应该落得一样快。伽利略没有能完成这个实验。

后来,真空技术有了提高,才有人进行了实验。办法是:把鸡毛、木块、铁球放到一个玻璃管内,抽去空气,形成真空,就会看到鸡毛、木块、铁球同时落到管底。

按说,鸡毛和铁球哪个先落地的答案清楚明白,应该到此为止。进入20世纪,事情发生了变化。1922年,匈牙利的富佛斯在一次实验中发现,不同重量的物质并不是同时落地,先后略有不同,大约相差1%左右。

这一发现并未引起人们的注意,过了60多年,直到1986年,才受到了重视。不少物理学家对富佛斯的实验重新进行了分析,得出了令人吃惊的结论:鸡毛和铁球下落的快慢确实有差别,不是同时落到地上。一句话,否定了伽利略的答案。

第三个答案露面了:鸡毛下落的速度比铁球稍快一点,鸡毛先落地。

大物理学家们说出这个答案,不由你不信,不由你不吓一跳。真怪,这个答案竟与我们的生活常识不一样!

物理学家们说出这番话来,总是有点原因,他们一要做实验——非常精细的实验,二要做理论探讨,然后才会写论文。

他们说,在真空中,鸡毛比铁球落得快,是因为在下落过程中,不仅是重力起作用,还有一个较小的排斥力在起作用,它的方向与引力相反,影响了下落的速度。

这个排斥力,起初叫做“超电荷力”,后来叫做超负载力。这是新认识的一种力,也叫第五种力。

在此以前,人们认为在自然界存在的力有4种。最早认识的是引力,地球绕着太阳转、苹果落到地上都是引力在起作用;后来认识的是电磁力,存在于电磁场中。这两种力都好理解。第三、第四种力存在于原子核内部,主宰各种粒子的相互作用,叫强相互作用力和弱相互作用力。

如今,从鸡毛与铁球下落的问题中,又引出了一个排斥力,就成了物理学中的一件大事。是不是真的存在第五种力,大量的实验,结果不完全一致,还很难说死,下不了结论。因此,关于它的性质,也只能说,还不十分清楚。

2000多年的公案尚未了结。

我国古建筑避雷之谜

提起富兰克林,人们就会联想到雷电,想到他发明了避雷针。大约250年前,他提出了避雷针的设想:在建筑物的高处,安装一根尖锐的金属杆,沿着墙壁引到地下,深埋以后,就能防止雷击。

现在看来,富兰克林的避雷针并不是那么完美,英国的避雷装置,顶部不是一根针,而是一个球,法国人也不用针,而是一个圆锥体。唯有美国人,坚持使用富兰克林最初的设计,仍然使用顶部尖锐的铁杆。

1997年7月13日,美国纽约市遭雷击,5条高压线路被切断,停电一整天。美国人这才想到避雷针不可靠,于是新设计的避雷装置不再是孤零零的一根针,而是2000多条细细的导线,装在一根空心管子上,看上去好像一个鸡毛掸子。

近年来,还出现过一些新型的避雷装置,比如,在金属杆上装一个放射源,或装一个半导体消雷器等等。不过,令人惊奇的是我国古代也有避雷装置,我们先引用一位法国旅行家戴马甘兰的记述;“中国屋宇的屋脊两头,有一个仰起的龙头,龙口吐出曲折的金属舌头伸向天空。舌根连着一根金属丝连通地下。这种奇妙的装置,在发生雷电的时候,电就会从龙舌沿铁丝跑到地下,不会毁坏建筑物。”

这段记述来自《中国札记》,是这位法国人1688年写成的。1688年,比富兰克林发明避雷针的1750年早60多年哩!由此可见,我国早就有了避雷装置。

这位法国人说的“龙头”,在我国叫作“鸱(chī)尾”。相传,汉代的时候,未央宫遭雷击失火,就有人向汉武帝建议,在宫殿的尾脊上安装能消灭火灾的鸱鱼。于是,后来的宫殿和民房的屋脊两头都有了叫做“鸱吻”或“鸱尾”的金属饰物,形状有龙、鱼和雄鸡等。遗憾的是,这些鸱尾并没有金属线连接大地,而这位法国人却根据自己的观察,描述了这是避雷针似的装置。因此,这件事就成了一个不解之谜。

后来有人分析,鸱尾虽然没有金属线连接大地,暴风雨袭来的时候,淋湿了屋顶和墙壁,也起到了接地的作用。

可是,我国有许多古塔,塔顶尖尖,突出于地面,最容易引雷,最容易遭雷击,却保存完好。不是雷电未曾降临,而是雷电来临时,被消除了。

1960年,浙江杭州的六和塔,在一个雷声隆隆的夜晚,人们看到塔顶尖端连续放光。这是放电现象,放电以后,雷灾消失了。

历史上也有过类似的记载。1611年一个夏夜,浙江嘉兴的东塔放金光,像流星四散。山西河津县城东觉成寺内有一座宝塔,到了风雨夜,塔顶常常会放光。

这些古塔顶部都有一个金属塔刹,目前发现,最古老的金属塔刹出现在三国时代。公元229年建成的保圣寺塔(位于江苏高淳县),塔高31米,塔顶有一装饰,由覆钵、相轮和宝葫芦等组成,大约4米多高。人们常把这铁刹叫做“葫芦串”,这就是一个避雷装置。由于有了它,一两千年内,高塔未遭受雷击。

这样的例子还可列举一些,明代的北京曾有一个广寒殿,建在今天的北海公园内,殿旁竖立着一根铁杆,有数丈高,顶部是3个金葫芦,同时引一根铁链连接大地。虽然文献说,这是为了镇龙,镇北海之龙,而真正的作用却是避雷。

看来,上面介绍的这些古建筑,虽然没有避雷针,却都设有消雷、防雷的设备。这是不是古代工匠有意的安排?如果是,那么发明避雷针的年代就会大大推前;如果不是,为什么类似的装置却不止一两处,许多地方都有发现?

除了金属塔刹是一个谜,砖石结构和木塔也是一个谜。山西应县的木塔,全部是木结构,塔高51米,这是很容易招雷的高建筑,然而,它从建成到今天,已经历了900多个春秋,至今仍高高地耸立着。

有人说,这是木塔,不导电,塔身不导电,地面又干燥,木塔就有了避雷的性能。而另一些人却说,雷电袭来,电压极高,高达几百万伏,电流又特别大,木结构的塔也会成为导体,怎么说能避雷呢?

这也是不清楚的事。