现代物理学研讨绝大多数都是一项“烧钱”的活,动辄需求高精尖的技能设备。不过,假定你认为脱离“高精尖”就步履维艰,那就错了。有时分,一个简略朴素的小主见,也能够美丽地处理一些大难题。
搞笑和不搞笑的诺贝尔奖
1996年,安德烈·海姆仍是荷兰一所大学的一名教授。他日常的作业是研讨超导体的磁性,但他渴望去探究另一个更根本的问题:水能被磁化吗?
教科书上告知咱们:不能。但海姆对这个答案并不满足。他觉得这样的一个问题即便前人现已试过,也已是长远之前的事了;那个时分,不管制作磁场的设备,仍是检测水分子是否被磁化的设备,都很粗陋。而现在,这些技能都已有了长足的前进,可彻底在新的条件下再做一次查验。
一个周五的晚上,他把水倒入试验室里20特斯拉(强度是地磁场的40多万倍)的超导电磁铁中,奇观发作了:水在超导体发作的磁场中居然悬浮了起来!这阐明,在一个满足强的磁场中,水是能够被磁化的——你还能够用它来抵消重力。海姆后来演示了,在超强磁场中,怎么让一只小青蛙依托其体液的磁性悬浮起来。在一片捧腹大笑中,他赢得了2000年的搞笑诺贝尔奖。
但是,笑到最终的却是海姆。2002年,在另一个周五的晚上,这一次是在英国的曼切斯特大学,他做出了一项出色的发现——石墨烯。这种资料是由单层的碳原子组成的,有着无与伦比的导电、导热功能。起先,海姆和他的搭档想用传统方法把一层或几层石墨从一整块石墨中磨下来,发现行不通。所以,他们转而求助于一般的塑料胶带,通过胶带把石墨一层层剥下来,直至取得单层的石墨烯。鉴于石墨烯的宽广使用远景,海姆和他的搭档取得了2010年的诺贝尔物理学奖。
乒乓球滑进大型强子对撞机
迄今世界上最强壮的粒子粉碎机,是坐落于瑞士日内瓦的大型强子对撞机。2012年,它因发现了希格斯玻色子而引人注目。这是一架超级杂乱又超级准确的庞然大物。用于磕碰的质子流在近乎真空的管道里穿行,并且其运动轨道被超导磁体的磁场曲折成一个圆形。超导磁体则被冷却到仅比绝对零度高一点点。
但冷却导致了金属管道的缩短,假如一切管道都严丝合缝地连在一块,很可能会导致开裂。为了抵消这种影响,又能确保管道内的真空度,一段跟另一段管道之间用相似手风琴上风箱的结构相连。但这又带来一个新问题:当成千上万段管道以这种方法相连之后,有时会发现质子流在某段上被挡住过不去了。但怎么知道毛病发作在哪一段上呢?
通过多少个日夜的苦思冥想之后,有人想到一个美丽的处理方法。一只乒乓球刚好能够塞进管道,给它一个初速度,它在没有空气阻力的真空管道内就会以均匀几米每秒的速度安稳滑行;除非遇到妨碍,才会停下来。当它卡在哪里的时分,就阐明毛病发作在哪一段上。
开始,科学家还打算在乒乓球上装个能宣布无线电波的电子标签,来标示它在管道内的方位,但最终证明连这都是剩余的:当球在管道内运动,被妨碍卡住时,外面的人能够听到细微的“咔嚓”声。所以,只需让一人骑上自行车,以跟乒乓球大致持平的速度追着球跑,当听到“咔嚓”声时就停下来,所以就知道了毛病之地点。现在,这个小技巧仍然被欧洲核子中心的科学家用来检测对撞机管道是否疏通。
秒表勘探引力波
广义相对论预言,当两颗细密的天体(如白矮星、中子星和黑洞),互相绕着对方转时,就会以辐射引力波的方式丢失能量。因为在广义相对论中,引力被解说成空间的曲折,所以引力波便是空间自身的动摇。但因为这些细密天体离咱们一般都十分悠远,其发射的引力波传播到地球上早已微乎其微,所以咱们至今没有直接勘探到引力波。
在地球上,引力波勘探器都十分巨大而精细。比方建于德国的一架引力波勘探器,其精度到达能勘探从地球到太阳这么长的间隔之内,发作仅相当于一个原子长度的改变。现在在建的引力波勘探器,甚至都动用了人造卫星。
留意,这儿说的是直接勘探引力波。但咱们也能够直接地勘探呀。并且说起来难以置信,要想直接勘探引力波呢,咱们只需具有一架光学望远镜和一块秒表即可。
美国一位天文学家用手头的这两样东西就做到了这一点。他观测的是由一对白矮星组成的双星体系,其公转周期是12.75秒。他发现,它们现在的公转周期比一年前快了1/4微秒。他把这归因于白矮星辐射引力波,丢失了能量,导致间隔缩短,速度加速。
你或许会说,我手头的秒表可无法测1/4微秒这么短的时刻呀。没关系,这个细小改变会不断堆集的。比方,下一次星食(即在咱们的视野范围内,两颗白矮星中一颗挡住另一颗)时,星食继续的时刻比起假定它们从未辐射引力波,将缩短大约6秒钟。
下一次星食,你只需用秒表测出星蚀继续的时刻,然后跟最早的记载做比照,就能够验证天体发射引力波带来的一个效应了。若勘探到这个效应,就可倒推回去证明引力波的确存在。
药片、玉米沙司和楼房
这类小主见不胜枚举。前面咱们已说到,物理学家用乒乓球来检测大型强子对撞机的管道是否晓畅,而在美国国家费米试验室,可溶的阿司匹林药片经常被用于检测正负质子对撞机管道是否漏水。
这些管道是为加速器供给冷却水的,假如冷却水不小心走漏,会形成严峻毛病。为防止冷却水走漏,科学家想到了一个好主见:在水管简单漏水的部位(比方接缝处)底下,放置一片阿司匹林。每一片阿司匹林担任一个电开关。不漏水时,开关处于封闭状况。漏水时,药片被滴水溶化,导致与之相连的绷簧松开,开关处于翻开状况,在事端未发作之前就主动堵截电源。
在国际空间站,那里因为物体处于失重状况,碎屑漂浮在空中。你猜宇航员是用啥东西来整理这些碎屑的吗?玉米沙司!因为玉米沙司粘性很好,宇航员只需拿一团玉米沙司,去粘碎屑,碎屑就粘在了沙司上,不再四处漂游。
2013年,几位法国科学家研制成功一种高度活络的重力测量仪。他们想找个地球引力会发作奇妙改变的环境查验一下其功能。换成你,会找什么地方?太空?仍是爬上珠穆朗玛峰?哈哈,他们灵机一动,想出一个最省钱省劲的方法:爬到一座40米的楼房上。因为每个楼层离地心的间隔不一样,所以每个楼层的重力加速度就会有奇妙的不同,这岂不便是抱负的“地球引力发作奇妙改变的环境”吗?
这些比如告知咱们,虽然现代物理学研讨离不开高精尖的杂乱设备,但只需不时处处“勤于思而敏于行”,就能够让人免患“设备依赖症”。