第三章學生物理科學興趣培養3
14.麻雀為何電不死
我們大家都知道，高壓線有幾千伏到幾萬伏的電壓，如果人站在地麵上觸到帶電的高壓線，就有觸電身亡的危險。
這天，黃剛跟小強早早就來到了城邊的鳥市，他們不是來買鳥的，而是來觀賞鳥的。這裏的鳥可多啦，除了賣主的叫賣聲，更多的聲音是鳥兒的鳴叫聲，有黃鸝在歌唱，有鸚鵡在學舌；有獨唱，有二重唱，有小合唱……
望著這些活潑漂亮的小鳥，聽著這悅耳的聲音，小強不禁感歎起來：這些又可愛又可憐的小鳥兒，一定非常向往藍天。讓這些小生靈返回大自然，自由自在地在天空中、在樹林裏飛翔、鳴叫，那該多好啊!小強把目光轉向了城外，轉向了頭頂上的空間，多麼晴朗的天空啊!
忽然，小強站在那裏不動了。黃剛拽了一下小強的袖子，催他跟著人流往前走，可是小強仍直勾勾地望著遠方高處。
黃剛說：“喂，發什麼呆呀!你是來看鳥呀，還是來望天呀?”
“我不是望天，”小強用手指著高處說，“你看那不遠處的高壓線上，站著一排小鳥。”
黃剛順著小強手指的方向望去，果真有不少麻雀，站在高壓線上。黃剛說：“這有什麼可瞧的，這鳥市這麼多小鳥幸福地生活在飯來張口的鳥籠裏，自然會招來它們同類的羨慕，也許是嫉妒……”
小強性急地打斷了黃剛的聯想：“我不是讓你講這些，你看那些麻雀站在哪上了?”
“這不明擺著，站在高壓線上。”黃剛有點不明白了，這王小強究竟琢磨什麼呢?
“我問你，假如你站在高壓線上會怎麼樣?”
聽了小強的話，黃剛大叫起來：“我瘋啦!幹嘛偏要上那鬼地方!”
“別叫喚，”小強說，“我說的是假如。你說會怎麼樣?”
黃剛說：“能怎麼樣?不是掉下來摔死，就是被電死!”
小強說：“假如人站在高壓線上會被電死，那麼，小麻雀也會被電死，可是那些小麻雀為什麼仍活得好好的?”
“哎呀，對呀，”黃剛一拍腦袋，“我怎麼就沒有看出問題來呢?小強，還是你聰明，你善於觀察、善於動腦筋。”
小強不耐煩地說：“你什麼時候學會恭維人了，真夠人受的。你說麻雀為什麼沒有被電死呢?”
我們可以從電燈談起。
給電燈接線時，必須接上兩根線——火線和地線，如果隻接一條線或切斷一條線，電燈就不會發光，因為電路不通。
當人們站在地麵上時，不與電線中的火線接觸，身體就不會有電流通過，也就不會觸電。如果穿上絕緣性能很強的膠鞋，用手去擺弄火線也不觸電，因為膠鞋把人的身體與地麵隔開了，換句話說，此時人的身體與大地絕緣了，身體接觸的隻是一條火線，不會有電流通過身體。
麻雀停留在高壓線上時，身體隻接觸了一根電線，不管是地線還是火線，反正不會有電流從麻雀的身體通過，隻要麻雀沒有同時接觸兩根電線，即便是萬伏高壓線，也不會把麻雀電死。
15.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－８８．３℃，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。
16.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。