第三章學生物理科學興趣培養1(2 / 3)

人們在想,核反應有兩種,一種是核裂變,原子彈爆炸就是裂變的結果;另一種是核聚變,氫彈爆炸是核聚變的結果。可是,核裂變現在已經可以加以控製,能按照人的意願,不是突然爆炸,而是緩慢地連續地進行反應,用來發電,建成原子能電站。可是,氫核聚變卻隻能以爆炸的形式出現,所有的氫一起參加反應,反應一次完成。

這就產生了一個問題,既然太陽含有豐富的氫,太陽中心的溫度又高達上千萬攝氏度,為什麼不會使所有的氫一起參加反應,為什麼不是反應一次完成,而是緩慢地進行,並且已經進行了50億年!

這個問題也可以反過來問,既然太陽的壽命已有50億年,由此可見,太陽一直在進行著核聚變,不是一次爆炸式的聚變,而是持續不斷地聚變。核聚變能夠持續不斷地進行,一定存在著一種控製機理,這是我們所不知道的,這是一個謎。

科學家正在力求破解這個謎。科學家為了利用氫這個廉價的原料作為能源,正在尋找控製氫聚合的過程,隻要找到控製的辦法,就有了大規模利用氫的可能。

也許,太陽會給我們一點啟示,告訴我們氫的聚變不一定是爆炸,也可以持續進行,也是可以控製的。

4.超重和失重

在大型遊樂場中,超級秋千、雲霄飛車和勇敢者轉盤等遊樂項目最為驚心動魄,也最受人歡迎。玩過一回的人,都會體驗到那種難得的刺激:飛車翻騰,忽上忽下,時而壓迫感難忍,身軀好像要被擠扁似的;時而虛飄飄無依無托,仿佛正墜入萬丈深淵。這讓人心驚肉跳、失魂落魄的一分多鍾時間,說得好聽點是“花錢買感受”,說得難聽點是“花錢買罪受”。

上麵說的那種不尋常的感受,涉及到超重和失重問題,這些現象歸根結底是重力場或者說引力場裏的現象。引力場是一種被賦予了物理屬性的空間場地,它能吸引處於這種場地裏的任何一個物體。它的基本特性是,所有處於場中的物體,不論它們的質量多大、帶不帶電荷,隻要初始條件相同,它們就能在場中都以相同的方式運動。引力場理論與牛頓萬有引力定律的原始表述的根本區別在於,消除了引力作用的瞬時性質和超距性質,而把物體之間的引力作用看成是由引力場這種媒介物質來傳遞的。

什麼是超重現象和失重現象呢?舉例來說,假如我們一邊乘電梯上樓,一邊在裏麵用磅秤稱體重。此時人會受到豎直向下的重力和豎直向上的彈力。根據電梯運行的速度變化,磅秤上顯示的重量,即視重,是不一樣的。假如電梯勻速上升,磅秤上的視重就是人的實際重量即實重;假如電梯加速上升,磅秤上的視重就會超過人的實際重量,這就是超重現象;假如電梯減速上升,磅秤上的視重就會少於人的實際重量,這就是失重現象。類似地,假如電梯勻速下降、加速下降和減速下降,那麼相應地人會處於實重、失重和超重3種狀態。

一般來說,超重和失重,就是物體在豎直方向做加速和減速運動時,對支持物的壓力或者對懸掛物的拉力不等於所受重力的現象。當加速度的方向向上時,即加速上升或減速下降時,出現超重現象;當加速度的方向向下時,即減速上升或加速下降時,出現失重現象。

我們向天上拋一塊小石頭,當小石頭下落時,可以近似地把小石頭看做是自由落體,它的加速度大約是10米/秒2,或者說每秒速率的改變為10,這叫做重力加速度(常用g表示),方向豎直向下。假如我們乘坐在一台以重力加速度的量值下降的電梯裏稱體重,此時磅秤上的視重就是零(按牛頓第二定律很容易算),這就叫完全失重狀態。這隻是打比方,實際上,任何一台電梯都不可能變成自由落體。不過,像玩蹦極遊戲那樣,用一根牢固而有彈性的繩子拴住人的腳或腰,然後從幾十米的高空像自由落體似地往下跳,想必就能嚐到完全失重的滋味。

超重和失重現象,在航空航天領域更是普遍存在。火箭在升空時,加速度可以達到重力加速度的10倍,即10g,導彈則可以達到30g。為了預防超重現象引起的損害,必須事先加固航天器的各部分器件。對於人來講,一般人對超重的承受力為38g,飛行員由於經過訓練,可以承受46g。處於超重狀態的人,心髒所受的力也相應增大,心髒中的血液也處於超重狀態,為了維持正常的血液循環,心髒的負擔也就比平時要大得多。原本心髒就不太好的人,最好不要冒這種險。此外,人在超重狀態下還會受到神經、代謝、內分泌活動紊亂的“超重生理反應”的困擾,嚴重的會因腦缺氧而導致記憶力喪失。

航天飛機在環繞地球的軌道上運行時,由於重力加速度會部分或全部地用來提供向心加速度,因而會處於失重或完全失重狀態。這使得飛船裏麵的太空人的生活狀態異乎尋常:他們不會發出打鼾的聲音,因為失重,喉嚨中的小舌頭就不會下垂,也就不會因呼吸而引起振動發出鼾聲。湯匙中的湯水不是想像的那樣漂浮在空中,而是由於湯水的表麵張力而附著在湯匙上。人出汗時,汗珠不會一滴滴地往下落,而隻會彙聚在一起,融成一大團。

失重給宇航員們無疑會增加很多麻煩。稍為蓬鬆些的衣服就會膨脹起來,必須穿緊身衣才行;食物要裝進牙膏式的管子,然後擠進嘴裏;喝水要用有密封蓋子的特殊吸管;睡覺要鑽進特製的睡盒內,並用繩帶鎖定;行走要穿帶有鉤子的鞋,以便鉤住網狀的地麵;洗頭和洗澡顯然更加麻煩,於是成了非常難得的享受。長期生活在重力場中的人,一旦失去重力作用時,體液的流動會受到失重的影響,血液循環、心髒係統、泌尿係統都會出現反常變化。在太空中生活時間過長的人,還會出現骨質疏鬆、肌肉萎縮無力、紅血球減少等症狀,嚴重影響身體的健康。

在人類還沒有進行航天飛行之前,愛因斯坦提出過這樣一個問題:“在失重的條件下(如在宇宙飛船中),能點燃蠟燭嗎?”他自己回答說不能。他的理由是,處於失重狀態下的空氣不再受到重力,蠟燭燃燒時,熱空氣不再上升,冷空氣也不再下降,於是蠟燭被燃燒過的熱空氣所包圍,燭芯就得不到氧氣的補充,因而很快就會熄滅。人們為了檢驗愛因斯坦的推測,做了不少實驗。例如,在一隻氧氣供應充足的密封容器中放入點燃的蠟燭,並讓這個容器從70米高的地方自由下落,以此造成一個失重的環境。結果呢?蠟燭並沒有熄滅,隻是燭焰比平時暗淡一些,並且燭焰的形狀是個球形的。這次愛因斯坦為什麼錯了呢?原來,他忽略了空氣熱運動的存在。即使沒有對流,含有氧氣的新鮮空氣仍然可以通過擴散到達燭芯,維持蠟燭的燃燒。隻是燭焰因為沒有冷、熱空氣的對流而暗淡一些。同時,由於失重,空間的各個方向是各向同性的,因而燭焰是球形的。宇宙飛船上天之後,蘇聯的科學家在“聯盟8號”飛船上順利地進行了焊接工作,證明了在失重條件下,的確能夠維持燃燒。愛因斯坦居然也有錯的時候,這就應了我們中國的一句老話:“智者千慮,必有一失。”

5.玻璃瓶托金

宋徽宗有10個北方特色的玻璃瓶,玻璃瓶口小腹大,樣子非常惹人喜愛,工藝又精細,在宮中也算得上是珍品。有一天,徽宗觀賞著玻璃瓶,突然想起要在瓶內托一個金的裏子,便命令小太監去找皇宮中的工匠辦。但工匠們都不敢接受這項任務,他們說:“金裏子放進瓶中,必須用烙鐵烘燙,才能服帖。而這瓶口太窄,烙鐵放不進,瓶子又脆又薄,也經不起手觸弄。如果硬做,瓶會破碎。”因此,寧可讓皇上怪罪,也不敢給玻璃瓶托金裏子。太監知道這件事不能勉強他們,隨意將玻璃瓶存放在箱中,暫將此事擱在一旁。

過了幾天,太監在街上店鋪間,看見一個錫匠正在陶器瓶口上裝飾金銀,手藝十分精湛,太監心裏一動,轉身回到宮中,拿了一個玻璃瓶,試著交給錫匠問:“能在這瓶子裏托一個金的裏子嗎?”

錫匠二話沒說,要太監明天來取。第二天,太監前來取瓶,果然,玻璃瓶內已托好了一個金裏子,而且質量叫人滿意,挑剔不出一點毛病。

太監十分高興,說:“我看你的手藝超過皇宮中的工匠們,卻在這種地方敲敲打打,才能不能發揮,莫不是因為貧窮而得不到機會?”

接著又把玻璃瓶托裏子的前後經過告訴他。不料錫匠淡淡地說:“這是一件非常容易的事。”

太監當即帶著錫匠進宮,向徽宗稟報清楚。徽宗想親眼看看錫匠如何給玻璃瓶托金裏子,便來到了後花園。又命宮中所有的工匠集中到院子裏,一個挨一個再過問,工匠們還是說沒有辦法給玻璃瓶托金裏子。

錫匠獨自走到前麵,將金子放在爐火上加熱後錘打,打成像薄薄的一層紙,拿起來裹在玻璃瓶的外麵。工匠們譏笑說:“像這個樣子,誰不會呢?原就知道你是個平庸的錫匠,怎麼會做玻璃瓶內托金裏子的事!”錫匠笑笑,也不回答。他把裹在玻璃瓶外的金子剝下來,用銀筷子夾好,小心地插到瓶中,然後慢慢地將水銀灌入瓶中,蓋上瓶口,左右來回搖動。這樣過了一會兒,又把玻璃瓶中的水銀慢慢倒出來,隻見金裏子服服帖帖地托在瓶內,一點縫隙也沒有。錫匠又慢慢地用自己的指甲把瓶口的金子擦勻壓平。院子裏的工匠們驚訝得瞠目結舌。