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第18章 物理之谜(8)

小说描绘了劳恩先生的生活情况。他有时以马克先生的面目出现。夸克指海鸟的鸣叫声,又指马克的三个儿子,而马克又时时通过儿子的行为来表现自己。盖尔曼设想在一个质子里包含着3个未知粒子,便随意地给他取名为“夸克”。我国则习惯把“夸克”叫“层子”,意为是比电子、质子、中子这些基本粒子更下层的粒子。

盖尔曼的夸克模式指出,这种粒子的最大特点是带分数电荷,并设想可能存在三种夸克——质子夸克、中子夸克和奇异夸克。到1974至1976年间,有人又把夸克家族增加到6个,即粲夸克、上夸克、下夸克。

既然设想到了夸克的存在,那么夸克到底在什么地方呢?有人认为夸克像蹲监狱一样,被关在强子里面。强子就像一个口袋,夸克被关在里面,它可以在口袋里自由运动,但不允许离开口袋,要想把夸克从口袋里弄出来,必须提供极大的能量,但在目前还办不到。

尽管夸克还处在假设阶段,有些物理学家又开始考虑比夸克更下一层的粒子了。欧洲核子研究中心的德·罗杰拉已经为组成夸克的粒子起名为“格里克”。后来,人们提出了五花八门的亚夸克模型,起了各种各样的名称,如亚夸克、前夸克、前子或初子,还有叫奎斯、阿尔法的。1974年,美国物理学家帕堤和萨拉姆提出了这样的亚夸克模型:i味子:p、n、λ、x,自旋S=1/2;ii色子:r、y、g、1,自旋s=0。它们可构成夸克ur=(pr)、uy=(py)、ug=(pg)等。还有构成轻子:e=(n1)、yu=(x1)、μ(λ1)等等。1977年,日本东京大学核物理研究所寺泽英纯教授在以上模型基础上,又提出了一种新的模型:夸克=味子+色子+代子,这些味子、色子和代子,均是自旋为1/2的亚夸克。不管提出的模型有多么不同,但都认为夸克还有下一个层次,所以,我国把亚夸克又称“亚层子”。

到底夸克是个什么面貌?亚夸克是否真的存在?这些都还没有结论,正期待着人们去揭示它。

室温核聚变现象之谜

1989年3月23日,美国化学家犹他大学化学系主任斯坦利·庞斯和英国化学家南安普敦大学的马丁·弗莱希曼教授在新闻发布会上宣布:他们经过五年多的研究,使用简单的实验装置,实现了“室温核聚变”。这不啻一声惊雷,震惊了全世界,给肃穆神秘的核聚变研究带来了活力。

所谓核聚变反应,就是两个较轻的原子核聚合,形成质量较大的核,同时放出巨大的能量。恒星内部就在进行着这样的反应,它向外辐射的能量(如光等)就来自这样的反应。例如,太阳内部现在在进行着氢核聚变成氦核的反应。每秒燃烧约五百万吨氢,每年向外辐射出约3.0×10(上标31)千卡能量。人工核聚变反应首先是用加速器实现的。1920年,世上第一台实用粒子加速器由英国物理学家考克罗夫特和贾尔顿制造成功。1933年,科学家用加速器做实验时发现,较轻的氘原子核能聚变为较重的氦原子核,并释放出巨大的能量和中子。据估计,1公斤氛聚变时释放出来的能量相当于1000万公斤煤燃烧时所产生的能量。对面临能源枯竭的人类来说,这实在太诱人了。地球上含有约一百万亿吨氯(海水中就含有大量氘,氘结成的海水约占整个海水的六千分之一),若能将这些氘都利用起来,人类就不必为能源即将枯竭而发愁了,它们聚变时释放出来的能量足够人类使用好几百亿年!而且聚变能在使用过程中既不会产生放射性废物,也不会产生烟尘、酸雨和温室效应,是一种十分干净的能源。

然而,核聚变能并非唾手可得。要使两个氘原子核发生聚变反应,须使它们彼此靠得足够近,约在10—15米以内,这时核力才能将它们“粘合”成新的原子核。然而,氘原子核带有正电荷,当它们相互接近时,将受到强大的静电斥力的作用,越近斥力越大,两核的静电势能也越大。于是,静电势能(或斥力)犹如一座大山,把两个原子核分隔了出来,使它们无法接近。只有当两个原子核以极高的速度(每秒1000公里以上)相对运动时,才能使它爬上那座静电大山,相互间才能接近到核力(束缚力)起作用的范围,于是聚配成一个新核——氦核。为使氘核间的相对运动如此快,可将它们加热到上亿度的高温,这时氛就会“燃烧”起来(即发生聚变反应)。在如此高的温度下,任何材料都将被气化而不复存在。因此,科学家只能采用非实物材料制成的无“形”壁——磁约束和惯性约束来“装”处于核反应中的氘核。几十年来,人类在这方面的研究虽已花费了巨大的人力和物力,但进展甚微,至今尚处于实验室阶段。

在这似乎“山穷水尽”的时候,庞斯和弗莱希曼的“成果”无异显示出了核聚变研究的“柳暗花明又一村”。现年61岁的弗莱希曼是英国籍捷克斯洛伐克人,60年代,他在浓缩氘的过程中,发现出现了一些“奇异”反应。而庞斯则曾从师于弗莱希曼,他在用电极分离同位素时也发现了类似的怪现象。5年前,这两位化学家在美国盐湖城的米尔克里峡谷郊游时,交谈了各自的想法,提出了新的设想,决定独辟蹊径实现核聚变反应。按照传统的核聚变观点,他们知道他们的设想不啻异端邪说,不会有什么正统的科学研究机构会支持他们的工作,于是他们决定自筹资金10万美元进行实验。他们的实验设备和方法相当简单,与大学里的一般化学实验很相似。在一个15厘米高的试管里装满了电解液,这是一种由含氘的重水和少量氘氧化钾等组成的液体,温度为27℃,试管外面绝缘,重水中放置两个电极,把为阴极,铂为阳极。在室温条件下,当正负两个电极间通以每平方厘米100毫安量级的电流时,奇迹出现了。他们发现,氖在电流作用下释放出大量的热能,其释放出来的能量是输入的4倍(目前已提高到100倍),并发现了核聚变反应应释放出来的另两种典型物质:氦和中子。这一切预示着反应并非化学反应而是聚变反应。于是,他俩先后给《电分析化学》和《自然》杂志寄发了两篇论文。向全世界宣布,他俩应用简单的方法实现了人们梦寐以求的室温核聚变。

庞一弗实验震惊了科学界。科学家在惊讶的同时,迅速纷纷走过实验室,检验庞一弗实验。在短短一个月的时间里,美国、匈牙利、前苏联、意大利、民主德国、日本、巴西、波兰等国家以及我国中国科学院化学研究所和北京师范大学的科学家也相继宣布:他们已重视或部分地重现了庞一弗实验。然而,也有不少实验小组未能重现。其中有好几个是世界上久负盛名的实验小组。如英国的哈韦尔核实验室、美国的马萨诸塞技术所、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和布鲁克海文国家实验室等。科学界于是形成了截然不同的两种观点。一种是肯定的观点。持这种观点的主要是那些重视过庞一弗实验的科学家,他们无意撤回自己的观点,否定自己的实验。还有一些核物理的权威也认为是可能的,如被称为原子弹之父的劳伦斯·利弗莫尔实验室名誉主任爱德华·特勒博士就说:“刚开始听到这个消息时,我觉得那是决不可能的。现在看来,很有可能是我完全错了。”不少理论物理学家还从理论方面阐述了室温核聚变的可能性。例如,美国麻省理工学院电气工程和计算机系副教授彼得·黑格尔斯坦就提出了室温核聚变的推测理论,并已申请了专利,我国著名原子物理学家苟清泉教授也提出了一种理论解释。他认为,氘(重氢)原子被把吸收而进人其晶格的八面体间隙位置时,会受到周围六个钯原子核吸引。这使氘原子公电子的电子云扩展成一个大球,于是氘核与价电子的结合就减弱了,行动比较自由。而相邻两个沉浸在电子层中的氛核则由于电子云(大球)的摒蔽,其间库仑斥力大大减弱,于是,它们在室温下也能碰撞,靠近到核力起作用的距离,从而出现核聚变反应。

另一种是怀疑的观点。持这种观点的科学家主要有下述三部分。一部分认为,庞一弗实验被舆论大大夸张了,实验结果还远未达到目前所宣传的程度。另一部分认为,庞一弗实验的结果也许是由于实验差错形成的。还有一部分则认为,庞一弗实验根本就不是核聚变反应,而是化学反应。怀疑终归怀疑,他们(持怀疑观点的科学家)还没有断然否定庞一弗实验。他们知道,一些新发现往往是在有悖常情的情况下开始的,这在科学史上屡见不鲜,而且室温核聚变也实在太迷人了,它若能实现的话,将导致一场重大的能源革命。故庞一弗实验至今还是一桩悬案,还有待科学家进一步杏明。

2000年前的电池是怎样制造出来的

1936年6月,伊拉克考古学家在巴格达城郊发现大量公元前248~前226年波斯王朝时代的器物,其中包括一些奇怪的陶制器皿、锈蚀的铜管和铁棒。当时任伊拉克博物馆馆长的德国考古学家威廉·卡维尼格描述说:“陶制器皿类似花瓶,高15厘米,白色中夹杂一点淡黄色,边沿已经破碎,上端为口状,瓶里装满了沥青。沥青之中有个铜管,直径2.6厘米,高9厘米,铜管顶端有一层沥青绝缘体。在铜管中又有一层沥青并有一根锈迹斑斑的铁棒,铁棒高出沥青绝缘体1厘米,由一层灰色偏黄的物质覆盖着,看上去好像一层铅。铁棒的下端长出铜管底座3厘米,使铁棒与铜管隔开。看上去好像是一组化学仪器。”经鉴定,他宣布了一个惊人的消息:“在巴格达出土的陶制器皿、铜管和铁棒是一个古代化学电池,只要加上酸溶液或碱溶液,就可以发出电来。”这就意味着,早在公元前3世纪,居住在该地区的波斯人就已开始使用电池,比18世纪由世界著名物理学家伏特发明的第一个电池还早2000多年。后来,卡维尼格用陶制器皿、铁棒、沥青绝缘体和铜管组成了10个电池。几个月后,他在柏林公布了更为惊人的消息:“古代人很可能是把这些电池串联起来,用以加强电力。制造这种电池的目的在于用电解法给塑像和饰物镀金。”

古人是否已经使用电池?为证明这一点,德国考古学专家阿伦·艾杰尔布里希特仿照巴格达电池,制作了一些陶瓶、铜管和铁棒,从新鲜葡萄里榨出汁液,然后倒入铜管内。奇迹出现了,与电池相连的电压表指针移动起来,显示有半伏特的电压。他有一个公元前5世纪的古埃及银像,银像外面镀着一层又薄又软的金箔。他认为这样的镀金用粘贴或镶嵌是办不到的,而他仿制的巴格达电池既然能够发电,是否还可以说明古人确实已使用类似巴格达电池的工具,用电解法给雕像镀金呢?为了找到答案,他又用雕像做镀金试验。他将一个小雕像是挂着浸没在金溶液里,然后用仿制的巴格达电池通电,两个多小时后,一个镀金像便出现在他的眼前。经过反复试验,最后他宣称,他已经证实了卡维尼格的论断。

美国科学家也模仿巴格达电池进行了一系列试验。他们也成功地从电池中获得了半伏特电压,而且持续工作18天之久。试验中他们使用了多种溶液,其中有葡萄汁、硫酸铜、亚硫酸和浓度5%的醋等,而这些溶液早已为古人所使用。参加试验的科学家一致认为,在巴格达附近发现的陶制器皿、铁棒和铜管除了用于制作化学电池外,别无他用。

1938年,德国考古学家威廉·柯尼希在巴格达城郊进行考古挖掘时,发现了远古时代的一组伽伐尼电池!在距今2 000年以前,人们是如何制造出这组电池的呢?柯尼希发现的这组伽伐尼电池是铜外壳、铜蕊。它的外壳是借助铝和锡固定好的,这两种东西的比例,现代人还在广泛采用。这—令人惊讶的远古发明物,同卡维尼格的巴格达电池是否可以用于镀金?时至今日,卡维尼格的观点仍未得到考古学界的普遍认可,但我们认为在巴格达出土的这两种姊妹电池在远古确实存在。最近,埃及考古学家在埃及金字塔内发现一些远古时代的壁画,经鉴定,他们认为这些壁画是借助灯光画上去的。这就意味着古埃及人也使用过类似巴格达电池那样的化学电池,因为金字塔内没有发现使用火照明而必然留下的遗物,有可能是利用电池发出的光作画。在2000多年前埃及人和巴比伦人就能使用电池发电、镀金,这的确是超越那个时代的文明杰作。

迄今为止,巴格达电池虽然仍未被世界考古界承认,但这个科学之谜,仍不断吸引着世界考古学家、电气学家和化学家们进行探讨。随着人类在科学上的不断发现,这个重要的科学之谜一定会被揭开。

金字塔能量之谜

在全世界研究金字塔的浪潮中,真是一谜未解,一谜又起。说法越来越多,也愈来愈离奇,被它吸引的人也日益增加。近三十年来,忽然又冒出一项所谓“新发现”,在西方接连出版了几十本洋洋洒洒的专著,上百篇的论文,成千上万人在试验、探讨,它的热潮正方兴未艾。这项“新发现”就是当前蜚声欧美各国的“金字塔能”。它说的是金字塔形的构造物,其内部产生着一种无形的、特殊的能量,故称之为“金字塔能”。据说,这种能量有着许多用途和奇特的功效。

故事还得从头讲起。

40年代,一位名叫布菲的法国人来到埃及,进入胡夫金字塔参观。在胡夫墓室内,他发现一些干瘪的小动物尸体。看样子它们自己跑进来,已死去很久。室内虽然并不干燥,但尸体一点也不腐烂发臭。布菲十分纳闷,沉思了一会,突然灵机一动,他想可能是金字塔形的建筑使它们变成了木乃伊。回国后,他按胡夫金字塔千分之一的比例,用木板制作了一个缺底的小金字塔模型。他把模型按南北方向放置,在中轴线距塔底三分之一高的地方,即胡夫殡室的位置上安放了一只刚死的猫。奇怪的现象发生了。过了一些日子,死猫成了一具木乃伊。布菲又对其他的有机物进行试验,也得到了同样的结果。此后,捷克无线电工程师卡里尔·杜拜尔偶然翻阅布菲的论文集时,读到布菲用马粪纸做胡夫金字塔模型试验情况。杜拜尔心想,这种实验太容易了,不妨自己也来试试。于是,他用三毫米厚的马粪纸,按胡夫金字塔的比例,做了几个30厘米高的模型,进行第一次实验。结果他吃惊地发现,放在模型内的牛肉、羊肉、鸡蛋、花朵、死青蛙、壁虎等果然变干而不腐。实验获得初步成功后,他就与布菲通信,两人保持着经常的联系。

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