德布羅意
法國理論物理學家(1892~1987年)。在量子論的研究中提出了物質波的假設,這種物質波因此稱為德布羅意波,其代表成果為“波動力學研究導論”。獲得巴黎大學博士學位。
楞次
俄國物理學家(1804~1865年)。1836年任彼得堡大學教授,科學院院士。1833年,在研究電磁感應中,發表了著名的楞次定律:當導體在磁場中運動時,或者磁場在線圈中變化時,有導體上感生電流的磁效應所形成的另一種磁場作用,在反抗導體或磁場與原有磁場之間的相對運動。也就是感生電流的方向為阻礙磁場的變化方向。楞次定律說明了感生電流的方向。1835年起研究導體的電阻與溫度的關係。
諾貝爾
瑞典工業家、發明家(1833~1896年)。諾貝爾獎的創設者。1850年到美國留學,學習機械工程。1859年回到瑞典,從事炸藥製造和排除其危險性的研究。他發明了一種比較安全的炸藥(黃色炸藥),並獲得專利。接著又發明了比黃色炸藥威力更強的無煙炸藥。諾貝爾在世界各地經營了多家炸藥工廠,還開發了油田,成為大富豪。為了促進世界和平和科學的進步,他留下遺言設立諾貝爾獎。從1901年起,根據諾貝爾的遺言,設立了諾貝爾物理學、化學、醫學或生物學、文學、和平獎,1969年又設立了經濟學獎。根據諾貝爾的遺願,物理學和化學獎由瑞典皇家科學院授與,醫學或者生物學由皇家與羅琳醫學研究所授與。
物理探索
永遠達不到的絕對零度
地球上的低溫記錄出現在南極,最低曾達到-883℃,比月球的溫度還要低一些,背太陽一麵最低達-183℃,離太陽最遠的冥王星,估計溫度在-240℃以下。有人推測宇宙間超冷區的溫度,大體上是-273℃,到了這個溫度,物質分子平均內能將降低到零,熱運動完全停止。世界上所有氣體的壓強(體積一定時)或者體積(壓強一定時)都要化為烏有。這是物質係統能量達到最小的溫度,所以,-273℃(精確值是-27316℃)便被稱為絕對零度。
究竟存不存在一個絕對零度?我們能不能達到這樣低的溫度?這件事引起了許多科技工作者的興趣,他們開始了向絕對零度進軍。
在19世紀20年代,法拉第首先發現:在相當低的溫度下,給某氣體施加足夠大的壓力,就會使它們變成液體,這些液體一旦製成,又成了一種極好的冷卻劑。因為當它們在減壓條件下蒸發而變成氣體的時候,會從周圍環境吸收熱量,使溫度降得更低。經過十幾年的努力,物理學家獲得了-110℃,使當時已知的很多氣體冷卻為液或固體。但就是在這樣的低溫下,有些氣體仍不能變成液體。如氫、氧、一氧化碳、一氧化氮、氦等,所以,人們把它們稱為“永久氣體”。
為什麼永久氣體不能被液化呢?科學家發現,任何一種氣體都有一個臨界溫度,高於這個溫度,無論施加多大壓力也不會被液化。這是因為氣體分子間既有排斥力,又有吸引力;氣體的種類不同,分子吸引力的大小也不同。永久氣體之所以不能被液化,就是因為分子間的吸引力很小,不易被液化,究其原因是臨界溫度很低。要想液化永久氣體,必須獲得更低的溫度。
一個世紀以前,德國科學家林德等人采用壓縮——絕熱膨脹法和抽除液麵蒸氣法,獲得了氧氣和氮氣的液滴。他們的試驗是這樣進行的:往容器裏裝進氣體,施加高壓,氣體體積縮小,分子運動加快,溫度上升,接著通過冷卻劑的蒸發吸熱,帶走熱量,把受壓氣體冷卻到原來的溫度。最後斷絕容器熱量的出入,讓受壓氣體通過狹窄的口子急劇膨脹,對外作功,由於得不到外界熱量供應隻好消耗自身的內能,這樣就可以得到很低的溫度。如果把液化了的氣體密封到一個容器裏,讓他蒸發,並在蒸發的過程中抽掉液麵上的蒸氣,也就是奪走運動最快的分子,實行多級串聯,一級一級地逐次進行,就可以把溫度降得更低。林德等人把這兩種辦法結合起來使用,不但獲得了液化的氧氣、一氧化碳和氮氣,而且還創造了-225℃的低溫記錄。
1898年,蘇格蘭化學家杜瓦正根據壓縮——絕熱膨脹原理,在-253℃的低溫下液化了氫氣。一年後,又用抽除液麵蒸氣法得到了固態氫,達到了更低的低溫-261℃和-263℃。
荷蘭物理學家翁內斯花費了半生的精力,終於在1908年,把最頑固的氦氣轉化成了液體。在液化氦氣的同時,還發現了一些物質在超低溫下的奇異性質,比如超導現象和超流現象,這些發現,鼓舞著科學家繼續向絕對零度進軍。
1925年,荷蘭物理學家德拜找到了一種獲得超低溫的新方法——絕熱去磁法。把一種順磁物質放到IK的液氦上邊,加一個強磁場,使順磁物質分子從雜亂無章到按磁場方向整齊排列,會放出一部分熱量,這熱量讓液氦帶走。接著在不讓熱量傳入的情況下突然把磁場去掉,順磁物質的分子從整齊的有序的排列恢複到無規則狀態,同時消耗自己的熱量,於是液氦的溫度進一步下降了。後來美國化學家吉奧克改進這種方法,反複進行這個步驟,於1957年,創造了000002K的低溫新紀錄。
後來,德國物理學家倫敦又發明了氦3和氦4淡化致冷的新技術——稀釋致冷法。氦3和氦4是氦的兩種同位素,它們通常是混合在一起的,當溫度降低到開氏零點幾度時,它們會分成兩層:氦3主要在上層,其中溶解有氦4;氦4主要在下層,其中溶解有氦3。溫度進一步降低,上層裏氦4越來越少,最後等於零,但是下層裏的氦3卻始終保持著一定濃度。如同抽除液麵蒸氣法一樣,人們從下層抽去活潑的氦3“蒸氣”,上層的氦3就會“蒸發”下來補充。結果使整個氦液的溫度下降。如果連續反複進行這個過程,使氦3不斷從上層移向下層,液氦的溫度就能不斷降低。
由於使用了一係列的“降溫”新技術,現在人們已經獲得了00000001K的最低溫度,距離絕對溫度就剩下千萬分之一度了。隻要再努一把力,不是就達到了嗎?
可是,德國物理學家斯脫卻為這種努力潑了一瓢冷水,他指出,用有限的手段使物體冷卻到絕對零度是不可能的。有人還說,這個溫度永遠也達不到。但科學家並沒有放慢向絕對零度進軍的步伐。
真空真的是空的嗎
1654年,科學家葛利克做過一個名垂科學史的實驗。他用銅精製了兩個大半球,並將它們對接密封起來,用他自己發明的抽氣機將球內空氣抽出,用16匹馬背向對拉兩半球,馬最終竭盡全力才拉開。這表明我們周圍並非什麼都沒有,而是充滿空氣,它對物體施加壓力(球內空氣密度因抽氣遠小地球外的,這導致球外壓力遠大於球內的)。球內經抽氣後的空間叫做真空。
真空其實不空。直至今天,科學家都不能完全排除甚至某一小範圍內的空氣。電視機顯像管需要高真空才能保證圖像清晰,其內真空度達到幾十億分之一個大氣壓,即其內1立方厘米大小的空間有好幾百億個空氣分子。在高能加速器上,為防止加速的基本粒子與管道中的空氣分子碰撞而損失能量,需要管道保持幾億億分之一個大氣壓的超高真空,即使在這樣的空間,1立方厘米內還有近千個空氣分子。太空實驗室是高度真空的,每立方厘米的空間也有幾個空氣分子。
上述以抽出空氣方式得到的真空叫做技術真空,它並不空。科學家稱技術真空的極限,即完全沒有任何實物粒子存在的真空,為“物理真空”。它非但不空,而且極為複雜。按照狄拉克的觀點,它是一個填滿了負能電子的海洋。20世紀20年代,英國物理學家狄拉克結合狹義相對論和量子力學,建立了一個描述電子運動的方程。它一方麵十分正確地描述了電子運動,另一方麵又預言了科學家當時尚未認識的負能量電子。自然界一切物體的能量總是正的。高山流水有(正)能量,能衝刷堤岸,推動機器。高速運動電子有(正)能量,能使電視熒光屏發光。電子具有負能量,就意味著加速它時,它反而減速;向左推它時,它向右運動。而且電子總處於放能過程中,如同高山流水總往低處流一樣。電子的能量將越來越負,高山流水最終還隻能流到大海,電子能量則將負至無窮。這意味著一切宏觀的物體均將解體。這顯然是荒謬絕倫的。按照量子力學,兩個電子不能處在完全相同的狀態上,就如一個座位通常隻能坐一人不能坐二人一樣。狄拉克認為,所有負能狀態通常是“滿員”的,被無窮多的負能電子占據。因此,正能電子其實是不能永無止境地發射能量的,其能量甚至不能降至零。這意味著,即使一個沒有任何實物粒子的空間,也是一個充滿無窮多個負能電子的大海。一個負能電子可通過吸收足夠多的能量而轉變為具有正能量的普通電子,爾後在負電子海洋中留下一個空穴,即少了一份負能量和一個負電子,這相當於給了海洋一個帶正電荷和正能量的反電子(或正電子)。1932年,美國物理學家安德遜果然找到了它,狄拉克的理論也終為大家所接受。質子和中子也有負能反粒子,物理真空還可分別由它們(負能質子或負能中子)填充。在物理真空中,正、反粒子對可不斷地產生、消失或消失後又產生,它們生存時間短,瞬息萬變,迄今還未觀測到,稱為虛粒子。它們在一定條件下可產生一些物理效應。例如,一個重原子核周圍的虛核子(反質子和反中子)在強電場作用下,會排列起來,出現正負極性,稱為真空極化,這將影響核外電子的分布,導致原子核結構改變。
粒子(如電子)與反粒子(如電子)碰到一起,變成一束光,反之,一束強光也可從物理真空中打出粒子與反粒子。質子與中子等並非終極基本粒子,而是由更基本的“誇克”組成。誇克有六種“味”,即上誇克、下誇克、粲誇克、奇異誇克、頂誇克和底誇克。
它們不能脫離這些粒子而單獨存在,它們似乎被一種強大的力囚禁了起來。按照“口袋模型”(1974),粒子就如物理真空中運動的口袋,口袋裏裝有誇克,誇克間存在很微弱的相互作用,由一種叫做膠子的粒子傳遞。粒子衰變或破碎為兩種或兩種以上的其它粒子時,可看作一個口袋變成兩個或兩個以上的口袋。同樣,兩個或兩個以上的粒子聚合成一個大粒子,就相當於多個口袋合成一個大口袋。於是,在破碎和聚合過程中永遠找不到單個誇克。口袋的分解或聚合就如液體(如肥皂水)中氣泡的分解和合成。氣泡內氣體分子是自由運動的,大氣泡可以分解成小氣泡,小氣泡也可合並成大氣泡。若基本粒子如小氣泡,則物理真空就如液體。這種液體性質獨特,它隻能一對對地產生氣泡,或一對對地消失。按照口袋模型,口袋裏麵(或氣泡裏麵)叫做簡單真空,外麵是物理真空,這形成真空的兩種“相”。物理真空在一定條件下可變成簡單真空,就如日常生活中三相間的轉變一樣。固體受熱變液體,液體受熱變氣體,這些隻需幾百度或成千上萬度就可發生。溫度高達幾十萬、幾百萬或幾千萬度時,氣體原子就要解體,變成叫做離子的帶電粒子。同樣,溫度足夠高時,口袋也將解體,質子、中子等基本粒子不再是基本的物質形式,它們將成一鍋由誇克和膠子組成的高溫粥,稱為誇克—膠子等離子體,物理真空也就成了簡單真空。