书城科普科学的楷模(科学知识大课堂)
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第32章 不朽丰碑(5)

阿基米德是第一个对杠杆作用的原理进行科学总结,并上升到理论的人。

他经常观察奴隶们劳动的场面,当奴隶们搬运巨大的石块时,他们把撬棍的一头放在石块下面,另一头放在自己的肩上,使劲一扛,石块就挪动了。然后,重复刚才的运动,石块就越来越接近目的地。奴隶们用这样的方法,从很远的地方运来了石块,盖起了美丽、庄严、宏伟的宫殿和金字塔。

阿基米德也曾在尼罗河泛舟,他和朋友们一下一下地摇着桨,摇着、摇着,他发现杠杆的原理通过桨、通过船的移动而表现出来。

虽然人类很早就懂得用杠杆来减轻劳动强度,提高工作效率,发明了早期的工具和机械,但是在阿基米德以前,谁也没有进行过科学的总结。阿基米德从日常生活司空见惯的现象中,经过观察和实验,从物体重心的观点出发,对杠杆的平衡条件做了数学证明。他在《论平面图形的平衡》这本著作中提出的杠杆定律和滑轮定律,直到今天还是一切机械设计的基础,在我们的生活和生产中不断创造新的奇迹。

阿基米德后来在保卫叙拉古、抵御罗马人的战争中发明了起重机和投石机等机械,正是杠杆原理的绝妙应用。

王冠之谜和液体静力学

有一次,叙拉古国王亥厄洛让人做了一顶王冠。这顶王冠是用纯金制成的。

这天,工匠把做好的王冠恭恭敬敬地送来了,国王往头上一戴,不大不小,正合适。金灿灿的王冠镂着花纹,既华贵又威严。

亥厄洛国王洋洋得意。

过了几天,国王心里直犯嘀咕。如果工匠偷了他的黄金做了手镯、戒指什么的,那不等于欺骗了堂堂的国王嘛。

于是,他找来工匠,问个究竟。

工匠一点也不慌,他对天发誓,说什么也不承认偷字。最后还说:“尊敬的国王,你可以称一称呀,您交给我黄金时,不都记着数吗?”

这句话提醒了国王,他赶忙命令左右的侍从,取下王冠一称,不多不少,王冠和黄金的重量不差分毫。国王没话说了。

工匠得意地领取了一笔酬金,脸上挂着胜利的微笑,走了。

国王心里仍然闷闷不乐,总像有什么堵在心里。他都不乐意带王冠了,把它放在一边。

突然,他想起了阿基米德,人们不都说他什么问题都能解决吗?

“阿基米德,如果该死的工匠往王冠里掺了银子,而这掺进的银子又和他偷的黄金重量相等,你能查出来吗?”国王很急切的问。他倒不是小器,只是觉得如果被人骗了,那就太不像话了。

国王提出的问题看起来很简单,倒是一下子把阿基米德给难住了,因为国王要求他不许损坏王冠,又要把问题搞清楚,这在许多人看来,简直是不可能的。

阿基米德把王冠带回家里。别的事情都无法干了,这个美丽的王冠倒真的让阿基米德大费脑筋。白天,他盯着王冠想;夜里,他睁大眼睛想,一连想了几天都没有结果。

王冠害得阿基米德吃不下饭,伺候他的奴隶只好把饭端到面前,一勺子一勺子地喂。这一来,他恼了,一挥手,“去去去……”把奴隶们全赶跑了。

他不洗脸,也不洗澡,头发乱蓬蓬,胡须脏巴巴,样子很狼狈。

奴隶们合计一下,得让主人洗个澡,休息休息再想问题。于是,两个奴隶拿着干毛巾和抹身体的油,来找阿基米德,同样遭到拒绝:“洗澡?不去!”

两个奴隶只好架起他,把他送到公共浴室去。“放下,你们快放下!我还有重要的事情要做呢。”阿基米德气恼地嚷了起来。

这回,奴隶没有听他的,由他手舞足蹈,大喊大叫,惹得过路的人都来看热闹。奴隶们架着他一直向前走。

等到放进澡堂的浴盆里,阿基米德还嚷着要爬出来,奴隶们只好把他往水里按。一不小心,阿基米德整个儿滑进浴盆里,水从浴盆的边沿溢了出来,流了一地……奴隶们吓坏了,生怕阿基米德会生气。

谁知阿基米德一跃而起,跳出浴盆,笑着喊着往外跑:“我找到了,我找到了!”

奴隶们面面相觑,好一会儿才醒悟过来,阿基米德还光着身子呢。他们抓起主人的衣服,追了出去,大声呼唤:“主人,主人,您还没穿衣服!”

他像没听见一样,直往家里奔。

阿基米德知道了什么呢?原来,他知道了辨别金王冠里是否掺有其他金属的办法。

回到家,他马上做试验:他在一个空盆里放了一只瓦罐,小心地往瓦罐里倒满清水,再轻轻地放进金王冠。好,就像自己滑进浴盆那样,水沿着瓦罐的边沿溢出来,流到盆里。他把盆里的水倒出来,量一量,记下数。他又一次往瓦罐里倒满水,把一块与金王冠等重量的黄金放进去,水同样流出来。于是把这些水也量了一下。两次数据一比,不一样。金块排出的水要比王冠排出的水少!重复几次结果完全一样。接下来,他取了一块与王冠、黄金块同样重的白银块,也用同样的办法,放进装满水的瓦罐,结果,白银排出的水又多于王冠排出的水。

阿基米德立即得出了结论:王冠既不是纯金的,也不是纯银的,工匠在制作王冠时肯定是在黄金中掺了不少白银,把多余的黄金偷走了。工匠大胆地戏弄了国王。

阿基米德在解释王冠之谜的同时,实际上是发现了液体静力学的基本原理,这个原理后来就以他的名字命名,称为阿基米德原理。

阿基米德是怎样揭开金王冠之谜的呢?

因为他知道,不同的物体密度是不同的,因此,同体积的两种不同物体,重量也不相同;相反,重量相同的两种不同物体,密度大的体积就小,密度小的体积就大。

根据这个道理,由于金子的密度大于银子,因此相同重量的金子和银子,必定是银子的体积大于金子,如果把它们放进水里,金子排出的水量自然比银子排出的水少。

从金王冠排出的水量,比同样重量的金块排出的水量大,又小于同样重量的银块排出的水量,阿基米德终于发现了金王冠之谜。

不过,阿基米德的贡献并不限于回答了国王的疑问,今天,潜水艇的沉浮,气球和飞艇的飞行,打捞海底沉船,制造巨型舰船……都离不开阿基米德原理。阿基米德的著作《论浮体》成为水力学的奠基石。

科学的悲剧

公元前218年,阿基米德已经是快70岁的老人,罗马与迦太基之间发生了战争,叙拉古站在迦太基一边,卷入这场共同对抗罗马人的战争。

作为一位爱国的科学家,阿基米德竭尽全力用自己的知识和才能为国家效忠。为保护叙拉古,粉碎罗马人的围攻,阿基米德发明了灵巧的回转起重机,可以把逼近海岸的罗马兵船从海里抓起来,悬在半空,然后抛入城墙,或者扔在地下,给敌人以重创。他制造可以发射大小石弹的投石机,射程有近有远,狠狠打击了攻城的罗马人。他还利用光学原理,在罗马人的战舰进攻时,用聚光镜来聚光,使敌舰的帆片燃烧,以致战舰起火。阿基米德把科学技术用于保护自己的国家,使罗马人的侵略企图一直不能得逞。

不幸的是,叙拉古的居民渐渐放松了警惕,他们认为,只要阿基米德在,叙拉古是不会失败的,殊不知罗马人并没有放弃侵占叙拉古的野心。

公元前212年一天,是阿尔杰米达节(即月亮女神节),叙拉古人照例庆祝一年一度的节日,美酒、篝火、舞蹈,使他们忘记了一切。这时,罗马军队在月亮被乌云遮住时,悄悄地从一道冷僻的城门用云梯爬上城墙,几乎没有遇到抵抗,攻进了狂欢中的叙拉古城。

罗马军队的偷袭成功了。

据说罗马将军马赛拉斯进城后,立即打发一名士兵去寻找阿基米德。虽然他吃尽了阿基米德的苦头,畏惧阿基米德,但是对他的才华是敬佩的,他想保护这位杰出的大科学家。

这时,阿基米德正在家里,全神贯注地蹲在地上研究一幅几何图形。他在苦思冥想,完全没有听见街上马蹄的践踏声,嘈杂的叫喊声和杂乱的脚步声,他完全沉浸在思维的世界里。

气势汹汹的罗马士兵一脚踢开房门,不禁愣了一下,他没想到马赛拉斯将军要他找的人是个糟老头子,便大声吆喝道:“喂,老家伙,起来,赶快跟我走!”

阿基米德正在思考,对突然闯进来的不速之客很反感,尤其是他那骄横的声调。他抬起头,以不屑的口气说:“嗯,你没看见我正在工作吗?”

说罢,他仍然低头看着地上的图形。

罗马士兵一脚踩上去,正好踩在几何图形的中间。

“你踩坏了,混蛋!”阿基米德怒不可遏,用画图棍子戳着士兵的鞋。

罗马士兵后退了一步,恶狠狠地举起了剑……

只是在这时,阿基米德方才明白站在他面前的是他的敌人。他知道他的生命危在旦夕,但是他不愿意马上就死,他请求罗马士兵给他一点时间,让他证完这条定理,免得给世人留下一道尚未证完的问题。

但是,凶残的罗马士兵手起剑落,刺死了75岁的阿基米德,鲜血像喷泉一样涌出,把地上的几何图形淹没了。

这位伟大的科学家直到生命的最后一刻,还在追求他毕生奋斗的事业。在他死后差不多两千年,英国出版了《阿基米德遗著全集》,这已经是1670年了。这是阿基米德留给全人类的财富。

达尔文创立生物进化论

1859年11月的一天,在英国伦敦的一家书店里,人山人海,拥挤不堪,人们正在争先恐后地抢购一本刚刚出版的新书——《物种起源》。

打开书,一行行醒目的字句马上吸引了读者:“我完全相信,物种不是不变的!”,“一切生物都不是上帝的创造物,而是少数生物的直系后代”,由此“人类的起源及其历史将会得到证明。”

这个科学的见解,在当时是一种崭新的观点,它立即引起了人们热烈的议论。欧洲人原来以为一切生物都是上帝在七天之内造出来的,而且永远不变。教会灌输的“神创论”和“物种不变论”,在漫长的岁月里,禁锢着一代又一代人的思想。

所以,《物种起源》就像一篇向教会挑战的檄文,它以无数令人信服的事实,证明了各种生物,包括人类,都是由一种或几种原始生物,经过很长很长的年代,从低等到高等,由简单到复杂逐渐演变而来的。它第一次把生物学放在完全科学的基础之上,使生物学继天文学、物理学、化学和地质学革命之后,又一次挣脱了神学的枷锁,解放出来了,它毫不留情地揭示了“上帝造物”是多么可笑的弥天大谎!

那么,谁是这部巨著的作者呢?

他,就是伟大的生物学家查理士·达尔文。

热爱大自然的少年

在英国蜿蜒曲折的塞弗恩河之畔,有一座叫希留布里的小城镇,镇的最高处,坐落着一幢红砖房。它的四邻有果园、温室与花房,周围种植着金合欢和山毛榉……这里住着一个世代名医的家庭。1809年2月12日,整个庭院沉浸在欢乐之中,人们正兴高采烈地庆贺着又一个孩子——查理士·达尔文的诞生。

达尔文的祖父伊拉玛斯·达尔文是一个博学多才的人,他不仅医术出众,而且是博物学家、诗人和哲学家。达尔文的父亲罗拔·瓦尔宁·达尔文,也是当地著名的医生。达尔文的母亲苏珊娜喜欢栽培花卉和果树,她常教孩子们怎样通过花瓣识别不同的花卉。在花园里,年幼的达尔文经常和兄妹一起采花扑蝶,通过种种有趣的小“花匠”活动,渐渐和草木花卉建立了深厚感情。

达尔文8岁进了镇上的小学校,——凯斯牧师主持的小学校,第二年,转入布特勒博士学校。入学的第一天,他兴奋极了,盼望着能学到更多的知识。可是,不久他就失望了。在凯斯牧师的学校和布特勒博士学校度过的七年中,课堂上讲的都是些难懂的经文,没有自然科学方面的课程,枯燥无味的讲授使达尔文感到厌烦。他在后来的回忆中说:“最有害于我的思想发展的,无过于布特勒博士学校了”,“这个学校对于我的教育,简直是一个空洞的场所。”

于是,达尔文把精力和感情都倾注在课外的活动中。他常常去捕捉昆虫,寻找矿石,拾拣贝壳和采集动植物的标本……这样,达尔文在课堂上的学习成绩就受到了影响。因此,老师和父亲认为他的野外活动是“不务正业”。罗拔·瓦尔宁厉声地责骂儿子:“你除了打猎,养狗,捉老鼠外,什么都不操心,将来会丢你自己的脸,也会丢全家的脸!”

达尔文却没有因为受了责备而放松对课外的自然科学知识的学习。他仍然请叔父讲解晴雨表的原理;向一位校外的老师学习几何学知识;还如饥似渴地阅读优秀的文学作品……有一次,他借到一本名叫《世界奇观》的书,读了一遍又一遍,爱不释手,幻想着有一天能到书里描述的实地去进行考察。

达尔文为了在将来的实践活动中收获更大,常常练习骑马、射击、黑夜狩猎的本领,培养长途跋涉的坚强毅力。10岁那年,在威尔士海滨,他第一次尝试了三个星期的独立生活,细心察看了各种昆虫、飞蛾和其他动物。14岁的时候,他又骑马到威尔士边境旅行了一次。这些活动,都增长了达尔文对自然现象的考察能力。

在自然界的广阔课堂里,达尔文显然是一名勤奋的出色的学生。他十分珍惜学习的时间和机会。尽管一天的学习和活动已经十分劳累了,可是他仍然跑步回家,赶着去当哥哥的小化学实验室的助手。达尔文一边帮助哥哥做实验,一边看书。后来,就学着动手独自操作,很快便掌握了制造几种化合物的方法。

野外和实验室的各种实践活动,使达尔文的科学知识一天天地丰富起来,他更感到知识的海洋是那样广阔无垠,大自然好像一部永远读不完的“巨著”,酝藏着无穷无尽的秘密,等待人类一步一步去探索。