然而，它并不是百弊而无一利。据物理学家推测，闪电可能与地球上 生命的发生有重要关系。实验室里所作的实验证明，强力的电击能将构成 地球洪荒时代大气的 4 种气体——甲烷、氨、氢和水蒸汽——分解，而产 生构成生命有机体元件的氨基酸。后来，雷电无疑是原始人的火的唯一来 源。直到今天，大地的负电荷仍要靠大雷雨供应。而且雷电本身也协助产 生大多数植物生长所不可缺少的氮化物。
　　


巧妙的温度计


　　太阳离我们如此之远，即使是光也要跑八分多钟。它的上面每时每刻 都在燃烧着熊熊烈火，任何物体进入其中都会变成灼热的气体。可是，科 学家们却能测出它上面的温度高低。你知道是如何测出来的吗？
　　有一个叫维恩的科学家，它对物体的热辐射作了详细的研究，发现著 名的维恩位移定律：
? mT=2897
式中? m 为具有最大辐射能量的光波波长。因此，只要测出? m，就可
以确定物体的温度，利用这个原理就可以制成光测高温计。对于太阳，科
?
学家们测得他的? m = 5100 A = 0.51微米，由维恩公式可求出太阳表面温
度 T=5700K；对于北极星，测得它的? m=3500?，于是可求出其表面温度
T=8300K。有经验的炼钢工人，能根据钢水的颜色来判断它的温度。
　　1864 年 1 月 12 日，维恩出生在德国东普鲁士的加夫肯。1882 进入哥 廷根大学，1886 年获得了博士学位。1890 年，维恩成了亥姆霍兹的助手。
1893 年，他从热力学第二定律出发，首先推演出黑体辐射的位移定
律。1896 年，又发表了辐射能量分布定律的理论推导。正是由于这两个定 律的发现，他荣获了 1911 年诺贝尔物理学奖。
维恩是一个少有的全能物理学家，在物理学的很多领域，诸如流体力
学，稀薄气体放电、阴极射线，极隧射线和 X 射线的测定等方面，都做出 不可磨灭的贡献。德国伟大的物理学家冯·劳厄曾评价说：“维恩的“不 朽的贡献是他引导我们进入量子物理的大门”。



夸克与小说


　　1964 年美国物理学家盖尔曼和茨威格提出基本粒子由三个基元构 成，盖尔曼把它称为“夸克”，分别用 u、d、s 表示。它们的自旋都为 1/2，
2

而且带有分数电荷，例如u夸克的电荷为

1

e，而d和s夸克的电荷为
3

? e。质子由三个夸克（uud）组成，中子由三个夸克（udd）构成。
3
每个夸克都具有反夸克。
　　1974 年，丁肇中和里希特独立地发现了 J/φ粒子，它有非常独特的性 质，无法由以上三个夸克来构成，于是一个新的夸克——c 夸克产生了，
它被称为粲夸克，它带的电荷为 2 e。
3
　　1977 年，L.M.莱德曼等发现了又一个独特的新粒子Υ，它的性质只能 由一种新的夸克 b 得以解释，b 夸克是第五个夸克，它被称为底夸克，它
带电荷为 ? 1 e。
3
　　1984 年 5 月 4 日在美国物理学会 100 周年纪念大会上，欧洲原子核研 究所的鲁比亚博士发表了一个惊人的消息：该研究所通过实验已得到证实 第六个夸克——顶夸克存在的数据资料。顶夸克用 t 表示。
因此，到目前为止，夸克的家族中有兄弟姐妹 6 个，它们就是 u、d、
s、c、b、t。可是，盖尔曼先生为何要把这些构成基本粒子的基元称为夸 克呢？
它来源于英国作家乔伊斯的小说《菲尼根们的苏醒》。这本书虽有趣
但很难懂，双关语甚多。书中有这样一句“Three quarks for Musther Mark”
（给穆萨·马克 3 个夸克）。盖尔曼联想到乔伊斯小说的独特风格和不可 理解的气氛，就给物质的基本结构单元起了这么个名字。
乔伊斯于 1941 年 1 月 13 日被癌症夺去了生命。他也许做梦也没有想
到在他死后 23 年，自己的作品竟和物理学结下了不解之缘。



高空跳伞


　　1990 年 9 月，第十一届亚洲运动会在北京举行。在隆重的开幕式上， 观众们有幸目睹了一场精彩的高空定点跳伞表演。兴奋之余，大家不禁会 问：为什么运动员们从几千米高的空中跳下还能如此从容自如地跳到赛场 中的大气球上呢？
　　学过物理的读者都知道，自由落体在地球的引力作用下，其速度 V 与 它降落的距离 h 有如下关系：
V2=2gh
其中 g=9.8 米/秒 2 为重力加速度。如果运动员从 2000 米高空跳下，其达 到地面时的速度：
V = 2 ? 9.8 ? 2000米／秒 = 198米／秒。
运动员如果以这么大的速度接近地面，别说要踩中赛场中的目标，就连生 命恐怕也难保了。


　　事实上，即使运动员不打开降落伞，其着地速度也不会达到这么大。 这是由于运动员除受重力作用之外，还要受到空气阻力的作用。一般说来， 物体所受到空气的阻力与其速度成正比。当物体从空中竖直下降时，其速 度随时间的变化关系为：
　　
g
V = -
r

g e ? rt
r

其中 r 为阻尼系数。
　　实验证明，阻尼系数 r 与下降物体的最大截面积成正比。当运动员不 打开降落伞时，空气阻力的阻尼系数约为 0.2/秒，因此，无论运动员从多 高的空中跳下，其着地速度不会超过 50 米/秒。当然，以这样大的速度着 地，运动员也恐怕会粉身碎骨。跳伞运动员打开降落伞，就是为了增大其 横截面积，这样阻尼系数就大大增大了。通常情况下，阻尼系数能达到 2/ 秒左右，因此，运动员着陆的速度只约为 5 米/秒左右，这样运动员就可以 安然无恙地着陆了。大家也不难想象，亚运会开幕式上那些训练有素的运 动员们惊人的技艺了吧！
　　


? —? 之谜


　　1947 年，鲍威尔用乳胶方法发现了日本物理学汤川秀树预言的介子。 不久，罗彻斯特和巴特勒从宇宙线中发现了一种中性粒子衰变为两个π介 子的过程，这种中性粒子后被称为? 粒子，其衰变过程为
? →π＋π。
　　1949 年，R．布朗等人又发现一个新粒子，即τ粒子，它可衰变为三 个π介子：
τ→π＋π＋π。 但是，随着测量越来越精确，却出现了一个难题。一方面? 介子和τ
介子不仅具有同样的质量，而且它们有相同的电荷、相同的寿命。另一方 面，? 介子和τ介子在衰变时确实表现出不同的宇称。（宇称是指基本粒 子左右完全对称或反对称，如果是对称的，则称宇称为偶的；如果是反对 称的，则称宇称为奇的。宇称守恒是指在核反应过程中宇称保持不变。）
? 分子和τ介子究竟是同一个粒子还是两个不同的粒子呢？如果是同一个 粒子，上述两个反应中宇称应该是一样的，如果是不同的粒子，为何唯独 宇称不同呢？物理学家好象走进了一间漆黑的屋子，而找不到通向屋外的 门。
直到 1956 年 10 月 1 日，物理学家们才从黑暗中看到了光明。在该天
出版的《物理评论》上，美籍华裔物理学家杨振宁和李政道发表了一篇名 为《弱相互作用中宇称守恒的问题》的论文。文中指出，虽然在所有强相 互作用中，宇称守恒的证据是强有力的，但在弱相互作用中，宇称守恒的 证据却一个也找不到，因此他们认为，在弱相互作用中宇称宇恒定律也许 根本就不成立。
杨振宁和李政道的文章发表之后，反应非常冷淡，因为当时几乎没有
人相信他们的大胆声明。例如当时世界上最伟大的理论物理学家泡利，就 坚决不相信宇称守恒会遭到破坏，他曾在一封信中写道：“我不相信上帝 是一个软弱的左撇子，我已经准备好下一笔大赌注，我敢打赌实验将获得 对称的结果。”
只有实验才能检验理论是否正确。哥伦比亚大学的华裔女物理学家吴
健雄教授花了约半年时间为实验做了准备工作，物理学界也在焦急地等待 她的实验结果。1957 年 1 月 15 日，哥伦比亚大学举行了新闻发布会，著 名物理学家拉比宣布，吴健雄等人的实验明确无误地证实了β衰变中宇称 是不守恒的。第二天，《纽约时报》头版刊登了这一消息。
　　事后不久，即 1957 年 1 月 27 日，泡利在给同事的一封信中写道：“现 在，在最初的震惊过去以后，我开始镇定下来了。是的，事情确实很具有 戏剧性。??我对上帝倾向于用左手感到震惊，但使我更加震惊的是当他 为了强烈地表现他自己时，他仍然似乎是左、右对称的。总之，现在面临 的是这样一个问题：为什么强相互作用中左、右是对称的？”
　　由于杨振宁和李政道的杰出贡献，他们共同获得了 1957 年的诺贝尔物 理学奖。
　　


孪生姐妹，形影不离


　　你一定欣赏过那美丽的交谊舞吧：华尔兹、探戈、伦巴??，一曲曲 优美动听的舞曲，一对对动作优雅的舞伴。你知道吗？在我们的伟大设计 师玻尔所设计的美丽的原子结构这个大舞池中，也有一对对喜欢“跳华尔 兹”的舞伴，它就是电子。那么又是谁发现它们喜欢“跳交谊舞”呢？是 一位独具慧眼的伯乐——杰出的物理学家泡利。
　　1925 年 1 月 16 日，泡利在一篇题为《原子内的电子群与光谱的复杂 结构》的论文中指出：在一个原子中不能有两个或更多的电子处在完全相 同的状态。这就是著名的“泡利不相容原理”。他也因此获得了 1945 年的 诺贝尔物理奖。
　　然而，泡利的这对舞伴性格确实有点怪，她们是一对不可分辨的孪生 姐妹，跳舞时总是喜欢沿着一定的量子化轨道绕着乐队（原子核）转圈， 而且，她们还总是觉得沿相反方向转小圈才最舒服。
　　那么这对舞伴为什么会有这种“怪癖”呢？原来在量子力学诞生之后， 玻尔为了解释氢光谱就为原子中的电子设计好了量子化轨道——电子只能 在一定的分离轨道上运动。而且泡利原理提出之后，高特斯密特和乌伦贝
克用实验验证，电子具有内禀自旋量子数 1 。只有当两个电子的自旋光
2
全相反时，能量才最低，原子结构最稳定。这样，利用泡利原理，原子内 部的电子分布和元素的周期律就得到了完美的解释。当然，对于元素周期 表中那些原子序数为奇数的原子，其中总会有个电子找不到舞伴，她只好 独自跳她的“华尔兹”了。不过，原子在形成化合物分子时，她又能找到 自己的舞伴了。



红外遥感


　　第二次世界大战期间，德国纳粹在法国的阿拉斯市建立了制造 V—1 火箭的秘密基地。英国和美国的空军对它进行了空中照相侦察，由于伪装 极为巧妙，均一无所获。后来，他们利用红外遥感技术，终于拍下这个基 地的详细照片。
　　红外遥感是利用不同物体对红外线的反射率不同，或不同物体的红外 线幅射强度不同来获得信息的。例如，隐藏在树林中的坦克、大炮、及火 箭发射架等，对于波长为 0.8～1.10 微米的红外线，反射率相差一倍以上。 而潜行在海水中的潜艇发动机辐射出的热量要比海水辐射的热量大得多。 红外遥感器很容易察觉他们。在夜幕降临之后，可见光遥感器便成了瞎子， 而红外遥感器这时却是大显身手的时候，它能在黑夜拍下一幅幅“热”的 图象，得到清晰的景物。而且，由于红外线波长比可见光波长长得多，在 传播中不易受到分子、尘埃的散射而损失能量，因而适合远距离探测。
　　红外遥感广泛应用于军事和民用目的。例如，1991 年 1 月 17 日凌晨 开始的海湾战争，美国飞行员利用先进的红外瞄准器，将一颗重磅炸弹准 确地投向了伊拉克的重要军事目标。红外遥感在森林防火中，也扮演极其 重要的角色。现代最先进的红外遥感器能够探测到森林中燃烧着的烟头。 红外遥感也有其美中不足之处。由于云层和大粒子对太阳光中红外线 的散射，会使红外遥感器收到假情报，另外，云和雨对红外线产生强烈的
吸收，因此，红外遥感受天气的影响较严重，大大削弱其遥感能力。



中子的发现


　　1930 年，德国物理学家 W．波特和他的学生 H．贝克发现了一件奇怪 的现象。当他们用? 粒子轰击原子序数为 4 的元素铍时，按照以往的实验 情况，? 粒子应该从铍元素的原子核里打出质子来。但与预期的相反，实 验中出现的并不是质子，而是一种强度不大而穿透力很强的射线。这种射 线能穿透几厘米厚的铜板，而其速度并不明显减小。当时就称其为铍辐射。 玻特认为这种辐射可能是γ射线之类的东西。
　　约里奥—居里夫妇在 1931 年底，也开始研究这种神秘的铍辐射。他们 将石蜡置于这种辐射源的后面，来看看石蜡是否会吸收这种射线。然而使 他们非常惊奇的是，石蜡中竟然飞出了质子！这简直是不可思议的怪事。 γ射线是质量几乎为零的光子，怎么也不可能碰动质量比它大得多的质 子，就象乒乓球碰不动汽车那样。
　　约里奥—居里夫妇试图以康普顿效应来解释这种现象，并于 1932 年 1 月 18 日将其结果发表在《报告》上。
詹姆斯·查德威克看到他们的文章后，就将实验情况告诉了他的老师
卢瑟福爵士。卢瑟福激动地说：“我不相信！”于是查德威克对这种辐射 进行了反复实验。通过比较，他证实：这类辐射中含有一种质量近似等于 质子质量的中性物质成分，他把它命名为中子。


　　1932 年 2 月 17 日，查德威克把他的这一重大结果发表在《自然杂志》 上。就这样，一项重大发现在约里奥—居里夫妇的手中溜走了！据说，卢 瑟福坚持要把发现中子的诺贝尔物理奖发给查德威克，说他完全应得到 它。有人对卢瑟福提出：约里奥—居里夫妇对此作出了必不可少的贡献！ 他回答说：“发现中子的诺贝尔奖单独给查德威克，至于约里奥夫妇嘛， 他们是那样聪明，不久会因别的项目而得奖的。”
中子的发现对核物理有着巨大而深远的影响。它使原子核物理学从此
走上了一个新的开端。



烧开水时的发现


　　大家一定读过这么一个故事：一天瓦特在炉前替奶奶烧开水，当水烧 开的时候他发现，蒸汽把壶盖顶起来了。善于思考的瓦特由此想到用蒸汽 来做更吃力、更有用的工作。以后，故事演变下去，变成了瓦特发明了蒸 汽机。
　　1736 年 1 月 19 日，瓦特出生了英国格拉斯哥城附近的格林诺克小镇。 父亲是个木匠，家里很穷，他就跟着父亲做些木工活，从小养成了对制造 机械的浓厚兴趣。十八岁时，瓦特到格拉斯哥城当徒工，学习制造教学仪 器。后来他又去伦敦一个钟表店学习修理钟表，最后他又回到格拉斯哥城， 在格拉斯哥大学当教学仪器修理工。
　　1761 年，大学里的一台纽考门蒸汽机坏了，让瓦特去修理。这可是难 得的好机会。在修理时，他发现这台机器有很大的缺点，一个是活塞动作 不连续；另一个是浪费蒸汽太多，而且动作缓慢，有点象老牛拉破车。于 是瓦特决心改进这种机器，他花费好几年时间进行了大量实验。功夫不负 有心人，瓦特终于成功地创造了高效率蒸汽机。图中展示了瓦特造出的一 台单动式蒸汽机示意图。从图中可以看出，开始阀门 A 打开，阀门 B 关闭。 从锅炉获得的蒸汽进入汽缸，蒸汽就推动汽缸中的活塞向上，通过机械机 构就带动轮子转动。当活塞到汽缸顶部，阀门 B 打开，阀门 A 关闭，蒸汽 就离开汽缸进入冷凝器，汽缸内压力就降低，在顶部的活塞由于大气压而 达到底部，然后再关闭阀门 B，打开阀门 A，又开始重复上述过程。


　　在以后的几年中，瓦特又经过多次改革，终于在 1784 年制成了用于交 通运输的火车、轮船动力的蒸汽机。瓦特蒸汽机的发明，带来了一场轰轰 烈烈的欧洲工业革命。
　　


蒸汽涡轮


　　两千多年前，一个名叫希路的埃及人，制造了第一个蒸汽涡轮，它是 一个产生旋转运动的蒸汽机。它不象瓦特的蒸汽机那样，用活塞和汽缸， 而是把从锅炉中取得的蒸汽，放在有一对弯管的球中，蒸汽由这些管子喷 出，迫使圆球在它的支架上旋转（图 1）。


　　这次发明，几乎被人们冷落了两千多年。虽然在后几百年中，有人试 图将它应用于实际，但最终都没能成功。约在 1890 年，瑞典的特·拉维尔 和英国的帕森，沿着不同的途径独立地提出了实用蒸汽涡轮的设计，导致 了现代蒸汽涡轮的产生。
　　图 2 示出了蒸汽涡轮的工作原理。转子装在一根轴上，它的外围有许 多细小弯曲的叶片。喷嘴直接向叶片喷射蒸汽，使转子以高速旋转，再由 这转子带动其它机械运动。
　　现代蒸汽涡轮通常不用一个带叶片的圆盘，而是用一排圆盘一起构成 转子。在现代蒸汽涡轮中，进入的蒸汽的压力达每平方英寸二千五百磅， 转动速度有时竟达每分钟一万转。

在今天，我们的高速运行的火车，不少还在使用这种蒸汽涡轮机。



两只眼睛比一只眼睛好


　　动物都长有两只眼睛，从来没有见到过只长一只眼的动物。可为何非 得长两只眼睛呢？
　　如果你闭上一只眼睛用细线来穿针孔的话，也许你费尽九牛二虎之力 也不一定办得到。但是，你用两只眼睛的话，对你来说，那是一件不费吹 灰之力的事情。由于两只眼睛之间有一定的距离，同一物体在两只眼睛中 成的象就不一样了。也就是说，不同的眼睛看到的是物体不同的侧面。正 因为这样，两只眼睛的印像合起来，就得到了物体的立体感觉了。引起这 种立体感觉的效应在物理上叫做视差位移。正是这种视差位移，使我们能 区别物体远近，并获得深度立体感。


　　物体离我们越远，视差位移就越小。我们都有这样的经验，在繁星满 天的夜晚，仰望星空，感觉到天上所有的星星都在同一球面上，分不出远 近。因此，在观测远处物体的时候，就应该尽量增大视差位移，以便准确 判断物体的位置。在雷达发明之前，海军测距用的观测镜，就是一根扩大 视差位移的长筒（见图）。它的两端各有一面反射镜 B、B′，外来光线通
过 B、B′反射后达到 A、A′，再经 A、A′反射进入水兵的眼中。这样一
来，水兵双眼间距就从 AA′扩大到 BB′，因此水兵就能较准确地判断远处 物体的位置了。
视差效应广泛应用于立体电影、电视工业和航空摄影测量。例如，有
些地图册印有红绿两色相叠的地形图，观察者可戴上用滤色片制成的“立 体眼镜”，使一只眼通过红色滤光片看到红色地图，另一只眼通过绿色滤 波片看到绿色地图，于是，在观察者的眼睛中就产生一幅山峦起伏的立体 图了。



假如没有了摩擦


　　如果我们的世界突然之间没有了摩擦力，那副可笑的样子将会令你忍 俊不禁。
　　由于没有了摩擦，地面将会绝对光滑，人在地面上寸步难行，一旦跌 倒，就会象被翻过来的甲虫那样，任你如何挣扎、也爬不起来。由于没有 了摩擦，任何螺丝都无法拧紧，奔驰中的汽车会突然散架，车轮向四周飞 出。这时候，所有的物体都会在自身重力的作用下自动地集结到底洼地带。 一切植物在微风吹拂之下，就会连根拔出，向四周散开来；房屋上的 砖块、木料和钢材会唏哩哗啦地散落下来；江河湖海将象脱缰的野马咆哮 翻腾；风一旦刮起来，就会永不停息地刮下去，任何物体都会被它刮跑，
地球上是一片飞沙走石的世界。 一切岩石和沙粒都变得无限光滑，它们再不能聚集在一起成立一座座
巍峨挺立的高山。山崩地裂随处可见，岩石夹着泥沙汇成一股股泥石流奔 泻而下。由于没有摩擦，各种运动起来的物质，再也无法停下来，它们在 地面上你碰我撞，东滚西溜。地面就象一锅开了锅的粥，混乱不堪。


没有了摩擦，地球变成了一个滑稽可笑但又惨不忍睹的世界！ 摩擦消耗了我们大量的能量，科学家们想方设法让它变得小些，以减
小它无端地消耗我们本来非常短缺的能量，但是，我们一刻也不能没有它！



香烟的烟雾


　　在一间空气不流动的房间里，点燃一支香烟。在点燃的烟头附近，烟 呈平稳的细流上升，上升了几厘米之后，烟雾就突然散开。这是为什么呢？ 香烟的烟雾在冒出时，由于比室内空气温度高，密度比空气小，受浮 力而上升，并且随速度的增大，受到空气的阻力也越来越大。开始时，阻
力比浮力小。达到一定高度后，烟雾就突然散开变成极不规则的烟流。 这种现象就是流体力学中所谓的层流到湍流的转变。 在流水中放入一个障碍物，当流速很慢时，流水平静而缓缓地绕道而
过，除了在障碍物处稍稍偏转流向外，看不出有明显变化，这种流动叫做 层流。随着速度的增加，首先会在障碍物后产生旋涡；当速度进一步增大， 障碍物后的水面会变得非常不平静，旋涡不断产生，不断破碎，水流的样 子变得极其复杂，瞬息万变，这时候的流动叫湍流。


　　　　　　　　（1）层流 （2）固定旋涡 虽然湍流现象时时刻刻都发生在人们周围，但是，人们对湍流研究直
到 1883 年才由英国科学家雷诺开始。雷诺设计了这样一个实验：在液体流
动的圆形管内，在轴线或靠轴线处引入颜料流丝。如水管中液体流速不大， 颜料呈规则的光滑流线。当流速足够大时，颜料丝将剧烈地振荡，这时湍 流发生了。为了确定湍流发生的条件，雷诺改变了液体的流速，管子的直 径及流体的种类，发现湍流产生与一个控制量 R 有关：


??V
R = ，
S
　　其中 V 为液体速度，ρ为密度，? 为粘滞系数，S 为管子直径。R 称为 雷诺数。当雷诺数低于一个确定值时，流动表现为层流，当 R 高于此值时， 层流就变成了湍流。
人们对湍流的研究近百年来进展一直不大，它作为一个老大难问题遗
留至今。计算机的诞生和混沌力学的创立，给湍流的研究开创了新的前景。



地球为什么会出现四季？


　　春去夏来，秋过冬到，年年如此，永无止境。劳动人民在春天播下种 子，迎来秋天的收获。可是，地球上为什么会出现四季呢？
　　地球一方面绕着固定的地轴自转，另一方面又绕太阳公转。自转一周 是一天，公转一周是一年。自转带来了昼夜的变化，公转带来了四季的交 替。


　　地球绕太阳公转的时候，姿势不是直立的，总是向一个方向侧着身子。 也就是说，地球的赤道平面与公转的轨道平面并不重合，地球的自转轴与 轨道平面的交角为 66°33′，而且，不论地球转到什么地方，它的倾斜方 向总保持不变。
　　正是因为地球这种倔强的脾气，在一年公转一圈的过程中，太阳在天 空中的位置是不一样的。春天的时候，中午的太阳正对赤道上空，南北两 个半球接受阳光的照射差不多，气候比较温和。在由春天向夏天的过渡中， 地球的北极逐渐偏向太阳一方，因此太阳直射在北半球上，因此，这时候 北半球比较炎热，而南半球则进入了寒冬。当由夏天到秋天过渡时，太阳 的直射点由北回归线逐渐南移，当达到秋分的时候，太阳又直射到赤道上， 因此，秋天又比较凉爽了。在从秋天到冬天的过渡中，太阳的直射点由赤 道移向南半球，这时，北半球迎来了严冬，而南半球则进入了炎炎的夏天。 直到太阳的直射点移到南回归线，它又要掉头转向赤道移动。这样周而复 始，四季就出现了。
其实，在赤道附近，一年之中太阳几乎总是直射的，而南北两极附近，
太阳总是斜照的，因此，在赤道地区终年炎热，而两极地区则终年寒冷， 它们都无四季可言。



“旅行者”号旅行记


　　1977 年夏天，美国宇航局先后发射了两个航天探测器：“旅行者” 1 号和“旅行者”2 号。它们的任务是探测太阳系的外层行星——木星、土 星、天王星和海王星。
　　这对旅行伙伴可真算幸运，它们赶上了只有 176 年才有一回的机遇： 地球、木星、土星、天王星和海王星在太空中成一字排开。这样，它们的 旅行路线就不会那么复杂了，而且旅程也大大缩短了。
　　它们旅行的第一站自然是离地球最近，被科学家们研究了几百年的木 星。这一站的“旅行考察”收获甚丰，发回了大量信息，有的信息使科学 家们着实吃惊不小。最引人注目的是“木卫一”上的活火山，这是第一次 在太阳系的另一个天体上看到活火山。火山喷射熔岩的速度高达每小时
3680 公里，火舌卷流在“木卫一”表面上延伸 304 公里。木星上的红斑也 极有意思，它不象地球上气旋，有一个低压中心，它有一个高压循环区， 在赤道上风速高达每小时 536 公里。木星上的闪电要比地球上的闪电强 1 万倍以上。在它的高纬度区，还发现了“极光”。木星上的温度极不均匀， 高温区温度达 23870℃，而低温区则只有零下 94℃。木星整个表面都发射 强烈的紫外线。


有着美丽光环的土星 这对旅行伙伴在告别木星之后，又匆忙赶向土星而去。 土星是九大行星中密度最小的行星，它的密度只有地球的八分之一，
如果有一个足够大的海洋，土星就会象船只一样浮在水面上。土星上的环
可谓多种多样，五花八门，有圆形的，偏心的，弯曲的和又轻又薄的。这 些环都是由大小不一的颗粒组成，小的如沙，大的如高楼。土星赤道上的 风，是太阳系中最猛烈的风，风速达每小时 1696 公里。
然而，就在这一站旅行快要结束的时候，不幸的事情发生了。“旅行
者”1 号在飞过土卫六之后，飞行路线向北弯曲，使它无法按原计划飞行， “旅行者”2 号只好孤独地继续向前飞去。
在恋恋不舍地告别同伴之后，“旅行者”2 号于 1986 年 1 月 25 日上
午飞到了距离地球 29 亿公里的天王星附近。不过这一站的“访问”收效不 大，仅仅证明天王星是一个蓝色的球体。但对天王星的卫星的探测则比较 令人满意。
　　在平淡地飞过天王星之后，孤独的“旅行者”2 号飞到了距地球 44 亿 公里的海王星旁。在这一站上，它迎来了丰收的时刻。
　　与平静的天王星不同，这颗淡蓝色的星体是一个暴风雨的世界，其上 的风速达每小时 640 公里，而它上面暴风雨覆盖的面积有地球那么大。海 王星的最大卫星“海卫一”是“旅行者”2 号去过的最寒冷的地方，它上 面显示出有活冰“火山”流动的迹象。冰“火山”喷出的不是炽热的岩浆， 而是冰粒！
　　“旅行者”号虽然已完成了探测使命，但它们仍然各自孤独地向外层 空间飞去，科学家们希望它们在今后的 25 年内发回更多有价值的消息。
　　


宇宙的创生与演化


　　当你在月明星稀的夜晚，面对浩瀚的苍穹，会产生无限的遐想，宇宙 是有限的还是无限的？宇宙的几何形状又是如何的呢？??等等一系列问 题。这些都是宇宙学所要研究的问题。要回答这些问题，必须从宇宙的创 生与演化谈起。
　　那么，宇宙又是如何创生与演化的呢？对于这个问题天体物理学家们 提出了种种猜想。如“超实粒子”宇宙模型、“振荡”宇宙模型、“稳恒” 宇宙模型??等等。这些描述宇宙的创生与演化图象的宇宙模型是不是正 确呢？随着天体物理学的发展，特别是射电天文学的发展表明，这些宇宙 模型与观测结果不符，因此，它们都不能很好地描述宇宙的演化图象。
　　射电天文学对宇宙学最杰出的贡献是在 1965 年做出的。当时，美国的 贝尔实验室在试验极其灵敏的新的天线接收装置时，在 7cm 的波段上发现 了完全新型的太空射电辐射，它的强度在各个方向上都一样。新发现的“各 向同性”射电辐射的光谱和强度相当于加热到约 3K 温度的黑体。很快人们 就对这种神秘的充满整个宇宙的 3K 辐射做出了解释。早在 1948 年，著名 的物理学家伽莫夫就曾经提出了一个开始时非常炽热并不断膨胀的宇宙理 论（即所谓“大爆炸”宇宙模型）。该理论指出，在宇宙演化早期，既没 有恒星，也没有星系，甚至没有重元素。当这一炽热的火球膨胀时，它的 温度会很快地下降。最后，当气体温度降至 4000℃时，氢不再处于电离状 态，此后充满宇宙的辐射就与物质脱离。计算表明，随着宇宙的膨胀，宇 宙的温度将与宇宙的尺度成反比减小。由于辐射与物质脱离以后宇宙本身 的尺寸增大了一千倍以上，故现在充满宇宙的温度应为 3K 左右。贝尔实验 室发现的正是这种辐射。按大爆炸学说，当宇宙的尺寸增大几十倍以后， 气体温度就降至 5K 以下，原先几乎均匀的气体介质分成各单独的团块。这 些原始的团块通过进一步的分块形成很多较小的团块。这些团块都有一定 的质量和转矩。随着时间的推移，这些团块就演化为现在的星系。宇宙的 膨胀就是这些星系的分散。宇宙的“大爆炸”学说很好地解释了宇宙的 3K 微波背景辐射和哈勃发现的星系“飞散”现象。因此，大爆炸宇宙模型描 述的宇宙的创生与演化的图象得到了大部分天体物理学家的公认。顺便指 出，大爆炸宇宙论虽然取得了辉煌的成就，但它所提出的问题远比它所解 决的问题多得多。正是因为这样，现代宇宙论将继续作为自然科学中的一 个重要前沿吸引着越来越多的人的兴趣。
　　


丁肇中与 J/φ粒子


　　1936 年 1 月 27 日，丁肇中诞生于美国密执安州安亚柏市。父亲丁观 海是工程学教授，母亲王隽英是心理学教授。丁肇中的父母原希望他能出 生在中国，但在他们访美期间，丁肇中提早来到了人世。正是因为这个意 料不到的原因，使他成为了美国公民。出生两个月之后，就同母亲踏上了 回中国的征程。
　　回到中国之后，由于父母工作紧张，他就在外祖母的抚养下长大。同 时，由于当时正值第二次世界大战的硝烟弥漫全世界，日本侵略者在中国 横行霸道，丁肇中直到十二岁才受到了正规的学校教育。1956 年 9 月 6 日， 丁肇中来到美国，开始他艰辛的求学生涯，并于 1962 年获得了博士学位。 丁肇中领导的实验小组和里希特领导的实验小组，在 1974 年几乎同时 宣布，他们发现了一种新的粒子，里希特把它取名为φ粒子，丁肇中则把 它取名为 J 粒子。取名 J 粒子是因为英文字母“J”与中文“丁”极其相象。 后来人们就把这种粒子称为 J/φ粒子。丁肇中和里希特也因此分享了 1976
年的诺贝尔物理学奖这一崇高荣誉。
　　J/φ粒子的发现，在物理学界引起了一场巨大的轰动。在这之前，所 发现的所有的基本粒子，可以由三个夸克来构成。然而这个粒子却有点怪， 由以前的三个夸克无论如何也得不到满意的解释，科学家们不得不引入一 个新的夸克——粲夸克。这样原来的三夸克模型就变成了四夸克模型。
当然，四夸克模型不可穷尽一切，还有一些实验事实在四夸克的框架
下仍然不易解释。对这个问题，现在有两种看法，一种看法认为：夸克系 统已经接近完备，可能还有少数几个夸克有待发现，夸克是构成物质的最 基本单元。而另一种看法认为：夸克本身很可能是由某种更小的东西构成 的，物质是永远可分的。
目前，丁肇中和许多粒子物理学家们正在为探索物质世界的基本结构
作出不懈的努力。



黑 洞


　　1798 年，拉普拉斯写道“如果一颗发光的星体，其密度和地球相等， 其体积比太阳大 250 倍，那么由于星球的引力，它的光线将达不到我们这 里。因此，宇宙间最大的一些发光的星球有可能是看不见的。”实际上， 用牛顿力学公式计算逃逸速度 V 时，有
1 GMm
mV 2 ? ,
2 r
V2 ? 2GM / r
其中 G 为万有引力常数，M 为星体质量。当 r＜2GM/c2 时，逃逸速度 V
＞C，也就是说，此时光线不能从该星体逃逸出来到达我们这里，我们看不 到这个星体，因此我们称之为黑洞。
　　人们很自然地会问，既然我们看不见黑洞，又怎么会知道宇宙中是否 真正地存在黑洞呢？黑洞又是如何产生的呢？要回答这些问题仅仅用牛顿 力学的理论是远远不够的，自爱因斯坦的广义相对论建立以后，人们对黑 洞的认识才慢慢清楚了。
1939 年，奥本海默和沃尔科夫提出，天体演化的终点可能是中子星，
并用广义相对论考察了恒星的平衡状态。研究发现，由冷中子构成的星体， 如果该星体的质量很大，则它将继续不断地无限坍缩，而绝不会达到平衡。 并断定没有物理规律能干预或者至少抑制星体坍缩而形成黑洞。因此可以 说，黑洞是死亡了的星体，是星体演化的终点。
随着黑洞天体物理学各方面的进展，以及现代测量手段的提高，现在
比较公认的黑洞候选者有天鹅 X—1，规座 X—1，大麦哲云 X—1，X—3， 和英仙座附近的 X 射线源。
那么，宇宙中的黑洞是怎样形成的呢？现在比较公认有三个过程可能
导致引力坍缩形成黑洞。一是质量足够大的恒星（质量为太阳质量的 1～
50 倍），随着其年龄的增加，就逐渐衰老直至死亡，形成黑洞。二是在星 系的中心区域密集着许多恒星，形成星团，随着时间的推进，星团的演化 使得星团中心区域越来越密。结果导致了恒星之间的相互碰撞，引起了恒 星的破裂，这些破裂的恒星形成一个单一的超级大质量的物体，由于引力 的作用，这个物体又能坍缩成黑洞。三是生来就有的原始黑洞。非常早期 的宇宙物质的密度极高，在这个阶段密度的不均匀性又能会引起黑洞的产 生。
　　应当强调一下，目前有关黑洞的理论还仅仅是一种假说，当然是一种 非常合乎情理的假说。我们对黑洞的了解还很肤浅，有关黑洞的一些问题 我们仍然莫名其妙和无法理解，还有待进一步探索。
　　


太阳脸上也有“污点”

我国在很早以前就已经知道了火红的太阳中有较暗的斑点，叫黑子。
《汉书》中有“日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”，生动地记述了公 元前 43 年的太阳黑子。1610 年，伽利略首先用望远镜观察太阳，并且在 太阳上看到了黑子。但是他的发现受到了教会的谴责，被认为是大逆不道， 亵渎神灵的事情。因为根据《圣经》中的说法，太阳是上帝造的，它是一 个完美无缺、纯洁无瑕的天体。但遗憾的是，神并没有把太阳造得那么完 美，在它的脸上有许多“污点”。


　　太阳黑子是太阳表面上的“凹坑”，“凹坑”的深度大约是一百公里 左右。黑子有大有小，直径从几百公里到几十万公里，平均约为五、六万 公里。对于黑子的形成，目前还没有一致的看法，一般认为黑子是一个巨 大的旋涡状气流，里面物质运动的速度达到每秒一、二千米，可我们地球 上的十二级台风也不过每秒五十来米，足见太阳上面运动之激烈。
黑子并不“黑”，它之所以“黑”是因为同明亮的背景比较而言的。
太阳表面的平均温度为 5700 度左右，而测得黑子的温度约为 3500 度，因 为黑子周围日面的温度比它高两千多度，所以比它要明亮得多。但是，我 们所用白炽灯炽热的钨丝也不过二千八百多度，比黑子温度还低得多。所 以，与白炽灯相比，黑子可要“白”多了。即使太阳的整个表面全部被黑 子覆盖，它也将依然夺目生辉。
太阳黑子的寿命有长有短，有的只能存在几天甚至几小时，有的可以
存在几个月，比太阳自转周期还要大几倍。黑子总是成群结伙而行，当一 个黑子群发展到最多的时候，面积大得实在惊人。近百年来看到的最大的 一个黑子，面积竟有一百四十四个地球表面那么大。
黑子的出现也随时间不断变化，有的年份出现的多，有的年份出现的
少。根据观测发现，黑子出现的周期约为十一年左右。1980 年就是黑子出 现的高峰年。
太阳黑子的出现，强烈地影响到我们的地球。当太阳黑子极盛时期，
如果有一大群太阳黑子出现在太阳的中心线附近，特别是当黑子群里有明 亮的爆发区域——耀斑出现的时候，太阳会放射宇宙射线、X 射线等等大 量的微粒流，这些微粒流会强烈地影响地球的磁场，产生“磁暴”，也就 是地球的磁场会产生强烈的变化，出现异常的“骚动”。“磁暴”的出现， 会干扰电讯和电话的传送，同时还破坏地球高空的电离层，从而妨碍无线 电通讯、给航空、航海、电视传真、卫星通讯等等带来巨大的影响。
　　强烈的微粒辐射会影响地球高层大气结构，从而使地球两极出现五彩 缤纷的极光。同时，它还强烈地影响地球上的气候。据有关部门了解，重 大的水旱灾害，大多发生在太阳黑子很多或很少的年份。1980 年是太阳黑 子极盛的一年，这一年我国是南涝北旱。十一年之后，即 1991 年，我国淮 河流域又发生历史上百年不遇的大洪灾，造成了巨大的经济损失。有人甚 至认为太阳耀斑爆发可使车祸增多、流感盛行。
但黑子的出现，能帮助我们揭开太阳的秘密。连续观测太阳黑子从东

部边缘出现到消失于西部边缘，可以推算出太阳自转的周期。观测的结果 是非常有趣的：太阳从赤道到两极的自转周期各不相同，赤道附近自转一 周需要二十五天，离赤道越远的地方周期越长，两极地区竟长达三十四天 左右。由此也可以得出结论：太阳不可能是固体的，否则其各部分的自转 周期应该一致。



如果地球停止不转??


　　“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”。这是毛泽东主席的著名诗句， 意思是说，我们坐在地球赤道上不动，一天也要跑八万里路。确实，我们 的地球是在永不停息的转动，在赤道附近，速度可达每秒 0.5 公里，可是， 我们一点没有感觉到地球在动，因为我们及地球上的物体都跟地球在一块 转动，这恰是“舟行而人不觉”。但是，如果地球突然停止转动，那情景 会是什么样子呢？
　　你的第一个感觉是站立不住，好象有一只无形的手，死劲把你往东拉， 你一下子就飞出了老远。植物树木有的会拦腰截断，有的会拔地而起。所 有的建筑都会顿时散架，砖块瓦砾飞速向东抛出。这时风大得惊人，以每 秒近 500 米的速度由西向东狂吹过来，其速度比现在地球上速度最快的龙 卷风还要大十五、六倍，地球上几乎没有东西不会被它吹跑。太平洋的海 水会淹没美洲大陆。
　　渐渐地，由于摩擦的作用，地面温度升高，风速减慢，最终一切都会 静止下来，于是，一片狼藉不堪的景象呈现在地球表面。然而，还有一件 可悲的事情是，太阳永远只能晒到地球的一面，而另一面是一个永无白昼 的长夜！
　　


严寒毁钢桥


　　1951 年 1 月 31 日，加拿大的一座钢结构桥——奎北克桥在零下 35 度 的气温下被毁坏了！
　　1938 年 3 月 14 日，比利时东北部的哈塞尔城正被零下 15 度的瑟缩严 寒包围着。突然，市中心横跨阿尔伯特运河的钢桥上，响起了震耳欲聋的 轰隆声。一座建成不到两年的钢桥，竟然在倾刻之间折成三截，坠入河中。 然而，时隔两年，还是在这条运河上，另一座钢铁大桥在严寒中遭到了同 样的悲惨命运！
　　这些惨痛的教训引起了科学家们的高度重视，答案终于被科学家们找 到了。
　　任何固体材料都会有弹性，而材料的弹性是有一定限度的，一旦所受 的力超过其弹性限度时，材料就会被折断。材料的弹性不仅与材料本身的 结构密切相关，而且还随温度的变化而变化。钢材在低温下，其弹性限度 会大大下降。当它承受不住外来的压力时，桥上的钢材就会产生裂缝，以 致大桥坍塌。因此，科学家在设计大型建筑时，必须高度重视钢材的抗寒 能力，量材施用。
　　


遥 感


　　七十年代初，苏美两个超级大国正在进行激烈的军备竞赛。在一次限 制战略武器的一轮会谈中，双方都隐瞒着自己的真实情况，相互讨价还价。 这时候，谈判桌上的美国人却向苏联人来了个“突然袭击”，揭露了苏联
在 1971 年新建了 60 个洲际导弹地下发射井的军事机密，搞得苏联人措手 不及。苏联当局十分恼火和震惊。他们为了保守秘密，费尽心机将这些发 射井伪装和隐藏起来，但终究露了马脚，漏了天机。美国人之所以搞到这 样重要的军事机密，主要情报就是其先进的卫星遥感系统。
　　遥感是雷达的概念和用途的引伸和推广，也就是探测远距离物体的位 置、大小和性质等有关信息。
　　最早的遥感是利用可见光波段的遥感器，如高倍光学望远镜、远摄镜 头光学照相机、可变焦距电视摄象机等。用可见光遥感器观测到的目标直 接又形象，但遇到巧妙的伪装和隐蔽，它却有点无能为力了。因此，红外 遥感和微波遥感也就应运而生了。
与雷达一佯，遥感广泛应用于军事、地质、水文、农业、海洋、气象
等许多领域。遥感技术是人类感觉器官的延伸和发展。人类在探索自然、 利用自然、改造自然的过程中，缺少不了遥感这位好帮手。近年来，遥感 学——一门年轻的新科学正在飞速发展起来。



你知道这些长度和长度单位吗？


　　如果有人问你：标准田径场的跑道是多长？你可能会毫不犹豫地回答 他：四百米！但如果有人问你：原子核的半径有多大？电子的半径有多大？ 太阳离我们有多远？宇宙的直径有多大？??你能立即回答他吗？
　　要回答这些问题大概不是一件容易的事情了。在一般的长度测量中， 常用的公制单位是“米”、“千米”（1 千米=1000 米=1 公里），或“厘 米”（1 厘米= 0.01 米）、“毫米”（1 毫米= 0.001 米）、“微米”（1 微米=0.000001 米=10-6 米）。例如，从我国的最南端曾母暗沙到我国的最 北端漠河大约为 5500 公里：人的身高一般在 1 米到 2 米之间；人的头发丝 的直径约为 70 微米左右；可见光的波长约为 0.5～0.7 微米。
　　对微观世界的长度和长度单位，我们平日很少碰到，因此就很不熟悉。 例如原子的直径通常只有一百亿分之一米，即 10-10 米，如此小的长度，用 米来量度很不方便，物理学家通常用一种叫做“埃”的长度，用符号? 表
示：
1?=10-10 米，
例如氢原子半径约为 0.53?，我们日常生活中所用的食盐 NaCl 的原子
间距为 2.81?，而可见光波长为 5000?～7000?。物理学家还通常用“费米”
这一长度单位来描述比原子尺度更小的基本粒子和原子核。“费米”用字
母 F 表示：
1F=10-15 米。
例如质子的半径为 1.2F，电子的半径为 2.81F。 世界的另一极端尺度是天体尺度。地球与太阳之间的距离是一亿四千
九百万公里，即 1.49×108 千米，光线从太阳跑到地球也需要八分多钟。
然而，太阳只是茫茫银河系中一千多亿颗恒星中的一颗，跟银河系相比， 它只不可是沧海一粟罢了。量度这样的天体尺度，天文学家采用“光年” 作单位，一光年也就是光在一年中所跑的距离：
1 光年=9.46×1012 千米。
　　银河系是一个直径约千万光年，厚度约一万光年的大“铁饼”。然而， 在银河系之外，还有许许多多大大小小的河外星系，这些大大小小的星系 构成了我们的宇宙，目前我们的宇宙的直径约为 1 万亿光年。而且，宇宙 还在不断地膨胀。
　　


从日晷到铯原子钟


　　在古代，人们没有计量时间的工具，只是以太阳升降来判断时间的早 晚，因此有“日出而作，日入而息”之语。但是，中华民族是一个充满智 慧的民族，早在周汉时期，就有了计量时间的仪器。最早的计时器是一种 水时计——漏壶，据《隋志》记载：“漏刻之制，盖始于黄帝。”足见其 出现之早。


　　　　　　漏壶 日晷 另一种计时器叫做日晷，它是在圆形的石板中间竖立一根铁针，石板
周围刻着时辰标记，随太阳的东升西落，铁针的影子就能指示出时间来。 元代郭守敬在河南登封建立的观星台，表高 40 尺，圭长 128 尺，重 18 吨， 使日影长度读数可准到 0.1 毫米。至今，北京故宫博物院还存有日晷这一 古老的优秀文化遗产。
　　十六世纪中叶，意大利物理学家伽利略从教堂中的吊灯中受到启示， 发明了摆钟，从此钟表就诞生了。不过，当时钟表极其简陋，只有一根指 示“小时”的时针，只有到了十八世纪才出现了分针，秒针是在十九世纪 才出现的。人们将一天分为 24 小时，1 小时 60 分钟，1 分钟 60 秒。一秒 钟就是一个平均太阳日的 1/86400。
随着科学技术的发展，钟表业也在飞速发展。从机械摆钟到电子手表，
各种钟表，五花八门，应有尽有。对于我们日常中的计时，这些钟表就已 足够了。
但是，地球的自转并不是一天 24 小时丝毫不差，它在 10 年左右就会
相差一秒。例如 1992 年就要润一秒钟。因此，更精确的计时标准势在必行。
1967 年第十三届国际权度会议通过了新的时间标准：
1 秒钟=铯原子振动 9192631770 次所经历的时间。 这种铯原子钟即使用三十万年，误差仅一秒！1992 年的润秒就是由这
一铯原子钟所确定的。目前，科学家们又在探索更高标准的计时系统，理
论上预言用激光所建立起来的时间标准的精度还可以提高一万倍！

机械钟 电子表 铯原子钟



无形的杀手——噪声


　　一九五九年，美国有一家飞机制造公司，生产了一种最新式的超音速 飞机。为了试验一下这种飞机在航行时所发出的噪声及其对人的影响，该 公司在报上登出了一个奇特的广告：


征求“志愿者” 本公司为了试验超音速飞机的噪声作用，特征求十名“志
愿者”。有谁愿意让超音速飞机从你头顶上掠过，不管生死情况 如何，都将获得一笔可观的奖金。 广告登出后不久，就有上千名“志愿者”应征。最后挑选十名体格健
壮者参加试验，当试验结束后，人们惊奇的发现，十名“志愿者”无一幸 免，全都倒在田野上死去了。
杀害这十名无辜者不是别的，正是噪声这一无形的凶手。 声音的强度通常是用“分贝”来表示的，例如微风吹动树叶发出的沙
沙声大约为 10 分贝；汽车行驶发出的声音大约是 70 分贝；闹市的噪声大
约是 70 分贝；火车的轰隆声超过 95 分贝；隆隆的响雷声、大炮的爆炸声 大约是 120 分贝。
一般说来，噪声在 40 分贝以下的环境，就算是安静的；80 分贝以上
就算吵闹了，会对人的健康产生不良影响。如果人长期生活在噪声强度为
85—90 分贝的环境里，就会得“噪声病”，出现头昏脑胀，失眠多梦，食 欲不振，浑身乏力，甚至诱发各种危险的疾病。如果噪声强度达到 120 分 贝，就会使人暂时失去听觉；强到 140 分贝时，就可能会使人永远失去听 觉，变成聋子；如果噪声强度超过 175 分贝，不仅人会丧命，而且连坚硬 的金属也会被震裂。
在第二次世界大战中，德国法西斯就采用过强噪声摧残俘虏。
　　目前大城市的市区都禁止汽车鸣喇叭，就是为了降低闹市区的噪声。 有的国家甚至用法律规定，繁华区室外的噪声，白天不能超过 55 分贝，夜 间不能超过 45 分贝。和噪声作斗争，将是科学上一项长期而艰巨的任务。
　　


“百慕大三角”之谜


　　“百慕大三角”是大西洋中百慕大群岛周围一片三角形大海域，在这 片海域中，经常发生飞机和船只的失踪事件。本世纪以来，就有一百多条 船、三十多架飞机以及几千名船员，乘客和驾驶员在这片神秘的海域中莫 名其妙地失踪了，而且事发之后，任何残骸也未找到过。例如，1973 年 3 月，一艘载有 32 人的摩托艇驶入这片海域以后，突然下沉，悄无声息地永 远消失了。
　　这片神秘的海域引起了人们极大的兴趣，也给在这一地区航行的飞行 员和船员们带了恐惧。有人把它称为“魔鬼三角”。科学家们也使出了浑 身解数，企图来解释这种不可思议的现象，其中有些科学家认为，制造这 些海难和空难的凶手，是一种听不见的声音——次声。
　　次声又叫亚声，其振动频率为 1～20 赫兹。它具有很强的穿透能力， 而且还可传播得很远。在大自然里，风暴、海啸、地震，火山爆发等都会 产生强烈的次声；原子弹爆炸、机器和螺旋桨的高速运转等，也会产生次 声。1883 年，印度尼西亚的克拉卡托火山爆发所产生的强大次声波，环绕 地球三圈，历时 108 小时，全世界的微气压计都记录到了。
次声有个特点，它与周围的物体发生共振，会产生出很大的能量。例
如频率为 5 赫兹的次声共振，会使人视觉模糊，牙齿打颤，身体功能失调。 极强的次声具有巨大的破坏能力，它可以使船身破裂，飞机解体，甚至使 人死亡。


　　在“百慕大三角”海域，经常有强烈地震，猛烈的飓风，以及激烈的 火山爆发。因此，这片海域经常产生强大的次声，有些科学家认为飞机、 船只的悲惨遭遇就是次声这种凶狠的杀手所为。当然，这只是一种科学上 的推测，要正确解释这种奇怪的现象，还有待科学的发展和科学家们的不 懈努力。
　　


超声波


　　二百多年以前，意大利有一位科学家叫斯勃拉采尼，他曾花了好几年 的时间，专门研究蝙蝠的行为。他发现蝙蝠既不靠眼睛也不靠鼻子辨别方 向，而是靠耳朵辨别方向。但是斯勃拉采尼终究也没搞清楚其中的奥秘。 现在我们知道，蝙蝠是靠发射一种人类听不见的声波——超声波，然 后接收反射回来的超声波来判断飞行方向的。人们还受蝙蝠的启发，制成
现代的无线雷达和超声雷达。 那么何谓超声波呢？人能听到的声波的频率大约从 20 赫到 2 万赫，频
率低于 20 赫的叫次声波，高于 2 万赫的就叫超声波。蝙蝠发出的超声波的 波长约为 0.5 厘米，在飞行时每秒钟发出大约 30 个超声讯号，在接近障碍
物 1 米时，增加到每秒中 60 个讯号。 现代制造超声波的仪器，其主要部件是一块压电石英晶片，在频率高
达几十万赫的交变电压的作用下，产生规则的振动，发出超声波。 超声波具有极为广泛的应用，它可以用来清洗钟表一类的精密零件；
也可以清洗大型的导弹壳体核反应堆里的热交换器；它可用于钻孔，切割
坚硬的物体；它还能使两种不能混的液体混合起来，还可用来为食物杀菌。 利用超声波可以制成超声雷达，对海洋的开发和利用具有重要意义。超声 波还可以用于金属探伤和处理植物种子等。但超声波的利用还有待科学家 们的探索和开发。



电磁铁与门铃


　　早在战国时期，我们的祖先就发明了指南针。自那以后，人类就开始 利用磁的性能为人类服务了。但是，在十七世纪以前，人们并不知道电和 磁之间有什么关系，只是在一次偶然的事件中，人们发现电可以生磁。
　　在十七世纪的时候，有一天，狂风大作，雷电交错，一家皮鞋作坊不 幸被雷电袭击。暴风雨过后，作坊主回到作坊里，他很惊奇地发现，鞋钉 和缝针都粘到铁锤和砧子上去了，就象磁石能把钉子和钉吸起来那样。当 时科学家仔细地研究了这一奇怪的现象，发现这种现象是雷电使铁锤和砧 子等磁化所造成的。后来，人们就把电线绕到铁块上，制成了电磁铁。到 了十九世纪，法拉第用实验证明；电可以产生磁，磁也可以产生电。从此， 科学家们把电和磁完全联系起来了。
　　电磁铁具有广泛的应用，最早也是最简单的一种应用可能要数电铃 了。下图是一张简单的电铃结构图，主要部件是一个马蹄形电磁铁，电磁 铁上有一块衔铁，它和弹簧片相连接；衔铁的一端有一个小锤，锤和铃盖 之间有一个小空隙。按钮就是电铃的开关，按下按钮接通电流，铁芯被磁 化，将衔铁向下吸，小锤就会碰击铃盖，发出叮呤的声音。在衔铁被吸向 下的同时，接触螺钉与弹簧片断开，电流中断，电磁铁失去磁性，衔铁又 被弹回原处，电流再次接通，小锤又敲击一下铃盖。这样，在按下电钮期 间，清脆的门铃声就响个不停了。当然，随着技术的发展，五花八门的电 铃就应运而生了。


　　电磁铁的应用相当广泛，例如，你每天都能欣赏到美妙的音乐，还得 靠电磁铁这玩艺儿呢，因为电视机，收音机等的扬声器中，就是由一块电 磁铁和一个小振片来产生动听的声音的。在电话、电报和自动控制装置， 电磁铁充当其中的主要角色。工厂里有个“大力士”就叫电磁起重机，它 能搬动成吨重的大铁块。
　　


多普勒效应


　　当列车进站时，我们听到汽笛声不仅越来越大，而且音调升高；当列 车离去时，汽笛声不仅越来越小，而且音调降低。人和声音相对运动时， 音调将发生变化，这种现象是奥地利物理学家多普勒在 1842 年发现的，为 了纪念他，把这种现象叫做“多普勒效应”。
假若你站在站台不动，火车运动的速度为 vt，v 是声音在空气中传播
的速度。如果火车向你迎面开来，你听到声音频率为：
v
f ? ? v ? v f，
因此你听到的声音的频率 f′＞f。 如果火车是离你远去，则听到声音频率为：
v
f ?? ? v ? v f。
因此听到的声音频率 f″＜f。 多普勒效应虽然是在声学中发现的，但它也适用于光学。假设观测者
相对于光源的速度为 v，当光源远离时，光波频率变低，
v
1 ?
f ? f0 v ，
1 ?
c
当光源接近时，光波频率变高，
v
1 ?
f ? f0 v 。
1 ?
c
科学家们利用这种现象，就可以得出星体的运行速度。由于其它星球总是 远离地球而去，光的频率总是偏向光谱的红端。只要将它与正常光谱比较， 就可以求出频率的改变量，并可求得星体退行的速度。天文学上把这种现 象叫做退行红移。



退行红移


　　天文学家们在用光谱研究遥远的星系时，发现从遥远的星系发来的 光，其谱线非常明显地移向可见光谱的红端，即低频端。这种现象可以解 释为是由光源的退行速度所引起的多普勒效应，也叫退行红移。
　　这个不寻常的，激动人心的观测事实，为宇宙创生的“大爆炸”理论 提供了依据，按照该理论，宇宙是在大约 1010 年以前由一次大爆炸形成的。 宇宙在以极快的速度向外膨胀。
　　在地面实验室中，钾光谱中有两条谱线在 3950? 附近。从遥远恒星的 光线里观察到的多普勒效应表明，星系正在离开我们退行着，其速度与它 们地球的距离成正比，设星系 1 和 2 与地球的距离为 r1 和 r2（这是由其 他方法测出的），则他们的速度 v1v2 可由多普勒效应确定对来自牧夫星座 的一个星座的光的测量发现，这两谱线出现在 4470? 处，它们向红端移动
了 520?。利用多普勒移动的计算公式，由此可以推断出，这团星云正以相 对速度为 0.13 倍光速离开我们退行着。通过大量的观测结果，科学家们得 到了一个经验公式；距离我们为 r 的星系的相对速度可以用下式表达：
v = ? r
其中? ≈1.6×10-18/秒。? 的倒数具有时间的量纲：
　　1/? =6×1017≈秒≈2×1010 年， 这就是恒星从“大爆炸”开始达到它现在的距离所花的时间，也就是我们 现在宇宙的年龄。如果用光速 c 乘 1/a，我们得到一个长度：
c ≈（3×1010 ）（6×1017 ）≈2 ×10 28 厘米。
?
我们通常称之为宇宙的半径。当然，这两个量只是一种数量级估计。



引力红移


　　频率为? 的光子，其能量为 E = h ? ，同时，由于光子的运行速度为 c， 由爱因斯坦质能关系有：
E＝mc2， 由此就可以求得光子的惯性质量
m = h? /c2。 光子既然有惯性质量，是否也有引力质量呢？实验证明光子确实有引
力质量，而且与惯性质量相等。
　　假设在离地球非常远的星球上，能量为 E 的光子从其表面发射出来， 当达到地球时，由于万有引力的作用，其能量变为 E′，动能的改变量恰
EGM
好等于势能改变量，即：E′－E = - s
c2 R
s
其中 Ms 为星球的质量，Rs 为其半径。改写上式：

h?
h?? ? h? ? ?
c2
即

GM
· s ，
R s


GM
?? ? ? (1 ? s )。
R sc


一个从恒星表面逃逸到无穷远处的光子获得“势能”，失去等量的“动能”。如
果在表面时光子的频率为? ，则在∞处光子的频率为? ′=? (1-GM /R c2)
s s
这就是说，由于引力的作用，光子的频率将会变小，即光谱线要移到光谱 的红端，因此叫做引力红移。对于天狼星，理论计算有
?? ? ?
? ?5.9 ? 10 ? 5 ，
?
而实际观测为-6.6×10-5。

如果 GMs ＞1，即1－

GM s ＜0，则?′＜0，这当然是不可能的。然

R sc
GM

2 R c2

而，
R s c

s ≈1的情形是一个需要由广义相对论解决的复杂问题。广义相

对论的结论是这样的，如果
2GM s ≥1，
R c2
那么光子和任何其它物体都不可能逃离这个恒星，这就是大家常听说的黑 洞。



天才发明家


　　1847 年 2 月 11 日，爱迪生出生在美国俄亥俄州米兰镇的一个贫苦农 民家里。小时候，爱迪生并不是老师眼中的“好学生”，于是，母亲就把 他从学校领回家。他一生中的学校教育只有三个月，其余的全部知识都是 从母亲那里学来的。在家里，他的极大好奇心常常惹来不少麻烦。在他六 岁时，他在父亲的牲口棚中点上火，“想看看会发生什么”，结果，牲口 棚被付之一炬。
　　由于家庭生活困难，十二岁的爱迪生，只好到火车上卖煎饼和报纸。 但是，他并没有放弃实验。经过车长同意，他把仪器和药品搬到火车上的 一节行李车箱内。不幸是，有一天，由于火车震动太厉害，架上的一瓶黄 磷掉到地板上，引起燃烧，幸亏列车员及时赶到，将火扑灭。可车长一怒 之下，把他的仪器和药品全部丢到了车外，并狠狠地打了他三个耳光。正 是这三个耳光，使爱迪生成了聋子。
　　1862 年 8 月的一天，爱迪生正站在站台上等火车，他看见一个小孩在 铁道上玩，这时，前方不远一列货车正向这边开过来，爱迪生急奔过去， 把孩子抱下轨道。这个小孩就是站长麦肯基克的儿子。为了报答爱迪生， 站长教爱迪生学习铁路电报技术。不久，爱迪生掌握了全部收发电报技术， 并到一家铁路公司当了电报员。
1869 年，爱迪生来到了纽约，身无分文。也就是在这里，他对电发生
了浓厚的兴趣。也就在这一年，他做出了他一生中的第一个发明——一种 新型的报价机。当电报局局长问爱迪生买他这项发明要多少钱时，爱迪原 打算只要 3000 美元，于是谨慎地说道：“您看着给吧。”局长说：“40000 美元如何？”听了这数字，爱迪生几乎都要晕过去了。
有了这么大一笔钱，爱迪生在新泽西建造了自己的“发明工厂”。在
以后的几年中，他发明和制造许多新的东西，如滚筒油印机、蜡包装纸， 改进了电报和电话等等。
1877 年 8 月 12 日，爱迪生用他设计的、并已订做好的一台仪器开始
实验，这台仪器的主要部件是一个刻有螺旋槽纹的金属圆筒，它安在一根 长轴上，长轴一端装着曲柄，摇动曲柄，圆筒就会相应地转动。此外，还 有两根金属小管，管的一头装有一块中心有钝头针尖的膜板。实验开始时， 爱迪生一边摇动曲柄，一边大声喊道：
“玛丽有一头白得象雪的小羔羊！” 然后将针头移回原处，将他的耳朵贴近针头，摇动曲柄。“玛丽有一
头白得象雪的小羔羊！”便从这台机器中发出来了。这就是由爱迪生发明 的世界上第一台留声机，这是十九世纪的奇迹。
　　爱迪生最大的功绩要数电灯的发明。在世界上没有电灯之前，人们只 看见过雷雨时的闪电的强闪光。十八世纪末，富兰克林用放风筝的方法证 明“天电”和“地电”一致时，人类才知道电可以发光。十九世纪初，英 国人戴维用一组电池和两根炭棒，制成了人类史上第一盏弧光灯，但光线 太强，费用太高，很不适用。于是，爱迪生开始发明一种“由白炽灯丝发 光的电灯”。它就是我们今天用的白炽灯。爱迪生花了一年的时间进行实
　　
验，他试了 1600 多种材料，甚至包括他一位朋友的硬胡须。1879 年 10 月
21 日，爱迪生终于完成了他最伟大的发明。他把一段棉花在炉上烤焦后， 装进了玻璃泡，然后抽出空气，接上电源，碳化棉丝发光了！
　　第一个实用灯泡的灯丝是用竹丝做成的。它能亮一千二百个小时。这 种竹丝灯一直使用了好几年，后来，又用化学纤维做灯丝。再以后，就是 现在的钨丝灯泡了，它比竹丝灯亮三倍。
　　爱迪生一生有一千多项发明专利。他发明了电影，改进了电池。人们 都认为爱迪生是位发明天才，其实，爱迪生的勤奋是常人难以想象的。他 经常一天工作二十小时，他曾有连续四十五小时不睡觉的记录。爱迪生曾 说过：“发明是百分之一的灵感加上百分之九十九的汗水。”
　　1931 年 10 月 18 日凌晨 3 点 24 分，爱迪生安详地离开了人世。当时 有人建议关掉全美国所有家庭、街道和工厂的电源几分钟，以悼念这位伟 人的逝世。但马上证明这是不可能的，因为那时电对人们生活来说是如此 息息相关，即使关电几秒种，也会发生不可想象的混乱。作为一个伟大发 明者之一，爱生迪生不仅是美国人的骄傲，他也是全世界人民的骄傲。
　　
2 月 12 日


恒星光行差


　　1728 年，英国天文家布莱雷德发现了光行差现象。他观察到，恒星在 一年的不同时间表观位置会发生变化。也就是说，在地面观测某颗恒星时， 望远镜的倾角要作相应的周期变化。
　　为了更好地理解光行差是怎么回事，我们先来看看日常生活中的一个 有趣现象。大家一定会有这样的经历，在一个无风的下雨天，雨是垂直下 落的，如果你打着伞站着不动，雨就淋不着你。但是如果你把雨伞仍然竖 直举在头顶而跑步前进的话，那么你的衣服就会被淋湿，在你看来，这时 候的雨并不是垂直下落的，而是倾斜着向你飘落下来。
　　光行差的道理也是一样的，恒星是不动的，但是地球却在以每秒 30 公里的速度绕太阳公转，因此，对于一颗正在头顶上方的恒星，在地球上 看来，光线并不是垂直照下来的，而是有一定的倾角α，根据简单的合成 原则，有：
v地球
tg? =
c
某种 c 为光速。
　　布莱雷德的观测发现，α约为 20.5″。因此将α的观测值和地球的公 转速度代入上面的公式，就可以得出：
c＝3.1×108 米/秒。
这是历史上首次得到的较为准确的光速值。


　　当然，光行差的观测还说明另外一个问题。在当时，“以太说”正流 行物理界，对是否存在“以太风”人们莫衷一是。光行差的观测结果说明， 太阳相对于以太是静止的，地球则在静止以太中自由穿行、丝毫不拖曳以 太，因为如果以太被地球拖曳着一起运动，光行差现象就不会出现了。如 果部分地拖曳，观测结果也就应该有较大的变化。
　　
2 月 13 日


大自然的时钟


　　1981 年 2 月 13 日，一具 6000 年前的少年女子木乃伊被运到上海，该 木乃伊发现于新疆维吾尔族自治区楼兰地区。翌日，报端出现了“世界上 最古的木乃伊”的报道。
那么科学家们是如何知道这具少年木乃伊的年龄的呢？这事得追溯到
1896 年。
　　1896 年 1 月份，伦琴向全世界宣布发现了 X 射线，这事在全世界引起 了巨大的轰动。法国科学家贝克勒尔也想趁这股热潮仔细研究一下 X 射线 的性质。可是，他却意外地发现了天然放射性。
自然界中存在许多放射性元素，例如14C就是一种天然放射性元素。
科学家们发现，放射性元素的衰变时，原子数目存在如下关系： N＝N0e-?t，
其中 N0 为初始原子数目，N 为 t 时刻的原子数目。如果在 T 时刻，N=
1
N ，我们就称T为该元素的半衰期。由上式可以求出元素的半衰期为：
2 0
T=0.693/? 。

例如238 U的半衰期为 4.5×109

226
88

Ra 的半衰期为1622年；14 C的

半衰期为5568年。反过来，知道了半衰期就可以求出?。
　　后来，有一位叫赫斯的物理学家，发现了一种天外来的射线——宇宙 射线。宇宙射线从四面八方向地球袭来，由于厚厚的大气层的阻挡，它才 不致于伤害人体。宇宙射线的发现，引起了许多科学家们的兴趣。其中有 个叫李比的美国科学家，他在 1930 年发现宇宙射线轰击大气层顶部时，会 产生出许多高能中子，这些中子象雨滴似地再撞击到空气中的氮原子上，
14 14
就把氮原子变成一种新的碳原子，即6 C。因此，在大气中，6 C一方面
爱被衰变掉，另一方面又会不断产生，这样，大气中的14 C的丰度（浓
度）就会保持恒定不变。
大家知道，地球上的生物，在它们活着的时候，总是不断地吸收大气
中的碳，因此，在生物体活着的时候，其体内的14C就会保持基本不变，
其丰度跟大气中的丰度一样。但是，有意思的是，生物体在死后，它就不 会吸收大气中的碳了，特别是那些深藏地下的古代遗迹。
知道了6 C的半衰期和6 C的自然丰度，我们就可以鉴别木乃伊的年龄
14 14
了。利用精密仪器测量出木乃伊中6 C的丰度n，而那位木乃伊少年活着
的时候，6 C在她体内的含量n0应与大气中6 C的丰度一样。于是由
14 14
n＝n0e-?t
就可以求出木乃伊离今的时间：
1 n T n n