书城科普科技轶闻趣事(科学知识大课堂)
14744900000018

第18章 机遇故事(8)

啤酒冒泡的启示

原子核和电子等带电粒子非常小,例如原子核的直径只有10-13~10-12厘米,肉眼是看不见的。多少年来,科学家们一直在想方设法看到它们的踪迹。过去用一种“云室”去观察,但看不太清楚。

1952年的一天,26岁的物理学家格拉塞在紧张工作之余,打开了一瓶啤酒。啤酒冒出一串串气泡,他还在想刚才的实验,竟忘记了喝啤酒。过一会儿,气泡渐渐不冒了。格拉塞沉思起来,难道再也不能产生气泡吗?他将一粒沙子投进啤酒杯,只见沙子在下沉的过程中,沙子周围不断地产生着气泡。他又扔下一小撮沙子,这时啤酒就像沸腾了似的,产生出大量气泡。格拉塞从这小小的实验得到了启发,竟作出了一项了不起的发明,这就是能清楚地看到电子径迹的气泡室。

啤酒的气泡究竟给了他什么启发呢?

原来,啤酒里的气泡,是在高压下溶在啤酒里的二氧化碳气体。平时,碑酒瓶盖子紧紧地盖住瓶口,使瓶内保持一定的压强,啤酒里的气体就不会冒出来。一旦打开瓶盖,压强减低了,溶在啤酒中的二氧化碳气体就从啤酒中逸出来,变成大量气泡上升。刚冒空气泡的啤酒,还处在不稳定状态,过一会儿之后,气泡就减少了,逐渐趋于平衡。可是遇到沙子的扰动,平衡状态即被打破,就会继续产生气泡。

格拉塞回到实验室,把液态氢装在密闭的容器里,然后使容器内部突然减压,这时的液态氢就相当于冒过泡的啤酒,处在不稳定状态。这时,如有带电粒子射进液态氢,就在粒子经过的路径上发生“沸腾”,出现了一串串小气泡,这种情况就像在啤酒里扔下沙粒一样。啊,带电粒子终于留下了一条清晰的“足迹”,这条轨迹可以用高速摄影机拍摄下来再继续研究。在这个基础上,格拉塞经过一番努力终于发明了气泡室,从而导致其他科学家对介子和超子等未知粒子的发现。

气泡室的发明,为原子核物理学的研究提供了极大的方便,格拉塞因此获得了1960年诺贝尔物理学奖。

好马也吃回头草

在许多科幻电影中,未来人使用的武器发出的都是一道道灼热的光束,光束所击中的地方,目标熔化、爆炸。其实这种威力极强的光束的原型,就是我们现实生活中的激光。

激光是一种奇特的光,它的全称应该是“受激辐射光放大”。激光,顾名思义,它是受激以后才发生的光,而普通的光都是自发光。激光“组织纪律”性强,没有命令,绝不发光。激光具有“团队精神”,它发出的光“步调一致”,全都朝着一个方向,也就是说激光可以成为“束”朝着一个方向,以一个波长发射能量,这也是激光与普通光的区别。普通光都是普照的,就连太阳系最大的光源——太阳,都以它的阳光普照着大地万物。激光另外的特点就是它的亮度大,颜色纯,射程远。这些基本特性,决定了激光与普通光有着完全不同的用途。

发现激光的第一人是美国的物理学家梅曼。

当时的梅曼还是一个名不见经传的年轻人。他早年研究过原子、分子光谱,这为他以后试制激光器奠定了良好的理论基础。后来,他又研究红宝石激波激射器,并有了成功的实践。这些都对他日后的成功打下了基础。但他的成功同样离不开他的高尚品格——探索精神和敢于向权威的挑战。

梅曼从1959年8月才转到激光的研究上来,当时美国的无线电物理学家汤斯和肖洛已经研究相关课题近10年,并刚刚在《物理学评论》上发表了著名的文章,认为红宝石不容易实现“受激发射”。与此同时,苏联科学院列别捷夫物理研究所的科学家们也提出了类似的看法。面对国内、国际著名的专家、学者提出的设想与方案,梅曼参与了这场激烈的竞争。

但是梅曼还是给红宝石建立起了解析模型并加以计算,不过计算结果表明,用红宝石作为材料将很难工作。随后梅曼开始试用多种其他材料,但结果都不理想。而后,他又重新转向对红宝石的研究,他希望以红宝石为样品,寻找出相应的材料,这种材料应该具有红宝石一样的优点:结构简单,结实耐用,此外还必须具备量子效应高的条件,因为量子效应低是红宝石作为激光材料的致命缺点。

对红宝石的深入研究很快使梅曼打消了另外再找其他材料的想法。他发现:含铬量合适的红宝石可以成为产生激光的最合适的材料。经过实验证明,以强光照射含铬量0.05%的红宝石,竟使得发光时的效应高达权威们原来试验结果的70倍。幸亏他当初又回过头来研究红宝石,否则激光器的发明又要推迟了。看来,好马也需要吃回头草。梅曼解决了一个划时代的问题,迎来了胜利的曙光。

在成功的喜悦中,梅曼对自己的实验装置作了进一步改善。他把一根长1.90厘米、半径为0.95厘米的红宝石圆柱体两端磨平后镀上银,放在螺旋形氙闪光灯中心,然后逐渐增强氙闪光灯的强度。当红宝石受到强光照射时,突然发射出一束深红色的光,它的亮度达到太阳表面亮度的4倍,这就是激光!

1960年美国研制成功世界上第一台红宝石激光器,我国于1961年研制成第一台红宝石激光器。从此,各种类型的激光器如雨后春笋,纷纷出现。激光与激光器的问世标志着人们掌握和利用光进入了一个新的阶段。从此,激光器的种类不断增多,性能不断完善,应用领域越来越广,在许多领域中激光还成了独领风骚的角色。

激光的亮度极强,是当今世界上最亮的人造光源。激光的方向性极好,发射角极小,几乎只沿着一个方向传播,所以激光能射得很远。它从地球射到月球40万公里的路程其光斑直径不超过两百米,这是其他光源绝对无法比拟的。

由于激光具备上述特点,它的用途十分广泛。激光在工业上可以作为热源对各种材料进行切割、钻孔等一系列处理。还能对长度、转速等进行精确测量。激光雷达还可以测量云层厚度和监测大气污染。在医学上,激光作为手术刀在眼科治疗、肿瘤切除方面得到了广泛的应用。

军事领域更是激光大显身手的舞台,当今最闻名的激光武器就要数激光制导炸弹了。

第一代激光制导炸弹名叫“宝石风暴激光制导子母弹”。炸弹上的“寻的头”可自动跟踪目标指示器射向目标并反射回来的激光束,炸弹通过追踪激光束精确攻击预定目标。第二代激光制导炸弹改进了制导和控制,并增大了导弹的航程。现在,激光制导炸弹已发展到第三代——“宝石路”激光制导炸弹,射程更远、精度更高、低空远距攻击能力更强。海湾战争中,激光制导炸弹大显神威,导弹像长了眼睛,准确击中各类目标,有的甚至钻入建筑物的门窗、通风口摧毁整个目标。

当然,激光在军事领域的应用决不只是“制导”。随着激光集注的发展,激光测距、激光雷达、邀光制导炸弹导弹、激光眩目致盲武器早已引起人们的极大关注。军事专家认为,未来空间、星际战争的主要武器都是激光武器。不要多久,科幻电影中和其他作品中所描述的场景,就会变成人类生活中的现实。

当然,激光最伟大的功绩还是为现代通讯技术打开了一条广阔的道路,它无愧为“现代化通讯员”的称号。

投机取巧也成功

1975年,美国密执安大学园艺教授里斯,在研究苜蓿的肥效时,偶然发现了三十烷醇对植物生长具有奇特的促进作用。

有一次,里斯带领学生到试验田里种植西红柿。他们用切碎的苜蓿茎叶做基肥,按照教授的要求,每顷地里应该施苜蓿肥117公斤。许多学生都严格按照老师的要求,耐心细致地劳作。可是,有一位学生平时总是马马虎虎,做事不大认真。这回他为图省事,投机取巧,每公顷地里只施了11.7公斤苜蓿肥。

然而,在收获时,施苜蓿11.7公斤的土地和其他施苜蓿117公斤土地相比,每公顷都增产1吨西红柿。这时,那个不听话的学生喜出望外,因为他一直担心自己施肥的那些地会减产。于是,这位学生便向老师认了错,说出当时的实际情况。这下子引起了里斯的怀疑:“怎么会出现这种怪事呢?”

为了弄清其中的奥秘,他着手分析了苜蓿中各种化学成分,并进行了认真的研究,结果一无所获。后来经过那位学生的认真回忆,才想起他将一瓶三十烷醇洒到了他施用的苜蓿肥上。“难道三十烷醇对西红柿的生长有作用?”于是,他又分析苜蓿的化学成分,结果发现了一种白色鳞片状结晶物质。里斯教授通过现代化手段弄清了它的结构,原来也是普通的三十烷醇。三十烷醇是一种普通的有机化合物,早在42年前就已被人们发现,人们一直把它作为一种化学试剂,陈列在试剂商店的货架上,没有任何人想到它对植物的生长会有这样奇异的作用。

里斯的这一偶然发现,使这种42年默默无闻的化合物一鸣惊人。三十烷醇经过了42年的漫长岁月,它的特殊才华才被发现,真可谓是“大器晚成”的化合物!三十烷醇是一种无毒的植物生长激素,广泛地存在于苜蓿、草莓、向日葵等植物中,各种石蜡和褐煤中都含有一定数量的三十烷醇。它化学合成简便,具有投资少、效率高等优点,是提高水稻、麦类、玉米、大豆、甘蔗、花生、胡萝卜、黄瓜、莴苣、蘑菇等多种作物产量的灵丹妙药。1克三十烷醇可喷施13~34公顷农作物,用量极微,收效甚大,真不愧为是“植物增长剂”!

落水的老鼠

20世纪30年代,国外化学家试图以合成的组氨酸钴络合物代替天然红细胞,制造人造血液,于是研究工作一直进展迟缓。

1966年的一天,在美国科学家克拉克的医药研究实验室里,一只实验用的老鼠突然从笼子里逃出,克拉克急忙捕捉。老鼠惊慌失措,四处逃窜,最后跌入一只装有氟碳化合物的容器之中。见此情景,克拉克又气又恨。为了不影响实验,他急忙去捞老鼠。他气得双手发抖,捞了半天,才将老鼠取出。他以为捞上来的老鼠一定会淹死。然而,当他将老鼠捞出后,那只老鼠抖了抖身上的水,迅速逃跑了。克拉克大为惊讶,为什么老鼠淹不死呢?

克拉克暂时停止手中的实验,转移到研究这种氟碳化合物溶液的功效上来。经过实验分析,他终于找到了老鼠不死的原因。原来,那种叫做三氟丁基四氢呋喃的氟碳化合物溶液,含氧能力特别高,大约是水的20倍。

这一发现,在克拉克看来并非重要,只是找到了老鼠没有被淹死的原因罢了。可是,它被生物学家和医学家得知后,却如鱼得水,派上了重要的用场。