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科普

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发表于 2018-9-13 09:01:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 langyanjun 于 2018-9-13 09:03 编辑

科普的重要性
    科普,普及的是知识还是思考问题、看待事物的方法?就如任何事物都有具体的内容(知识)也有思考看待它的方式方法一样,它们是组成处置同一个事物的两个方面,只是倾向性或重点不同而已,即叙述者主观上突出哪一个方面,就表明基于他对现实的考量要补哪一方面的短板,或者他有其他的诉求;我在这里,强调的是科学上思考问题、解决问题的方式方法。
    手头上有两本外国人写的科普读物,一本是日本人户塚洋二、梶田隆章写的《从地底发现宇宙》,另一本是英国人乔恩.巴斯沃思写的《希格斯粒子是如何找到的?》。这两本书都从这个角度讲述了科学研究的境况:科学研究,仅仅是科学家跟政治家谈论其重要性是不够的,不管在场的人多么重要,我们还需要让公众知道这些事情,也需要让政治家知道公众知道这些事情。这显然是科普;不仅如此,日本科学家和英国科学家同样坦诚的给大众介绍自己正干的是什么,要达成什么目标,依据的的原理是什么(大多属于自己的猜想,以及如何将这些猜想付诸实验验证——要么证实,要么证伪)。
    《从地底发现宇宙》,讲述的是上个世纪末日本人在其歧阜县的神冈地下1000多米建设的用来研究宇宙射线包括太阳辐射的中微子的设施,它所依据的原理是什么,他们(指日本的科学家)计划做什么,以及对该计划结果的预测展望,都简明的、让大众都能看明白的体现出来、表达出来——这本书成书于上个世纪末,虽然是2016年在我国出版发行的,我是说:在日本的科学家尚未发现太阳中微子、尚未对其进行深入研究的时候,他们的实验计划以及可能的结果就已经公之于众了;《希格斯粒子是如何找到的?》这本书成书于近年,即2012年发现希格斯粒子之后,但在本书中,LHC尚未进行实验之前,该实验就明确公布了其原理和实验的可能结果:依据该书作者的叙述,实验及其结果是“只赚不赔”的:要么发现希格斯粒子,这个发现显然是科学上的重大发现,无疑将载入人类科学史并对未来科学的发展起到巨大的影响,如果不能发现希格斯粒子,那么就证明此前的理论——即标准粒子模型,是错误的,这同样是人科学史上的重大发现,也无疑将载入人类科学史并对未来科学的发展起到巨大的影响,因为若证明基本粒子模型是错误的,那么现代几十年来人类一直依据该模型所建立起来的那些知识都不值得信赖,人们需要建立新的基本粒子理论。
    当公众看到这个“只赚不赔”的实验,能不支持它吗?能不关注它吗?要知道,LHC及实验花费巨大、动用了世界各国的近万名科学家协同奋战,为这些实验提供资金支持的国家(作者一直强调,是纳税人养活了他们,“他们出钱,我们出力”作者如是说)的纳税人,当得知他们的投资回报的时候,能不有“人类命运共同体”的思想和感情吗?!
    所以,这样的活动,即是提升大众科学素养的科普,又是整个社会和谐运转的助力,也是其一种具体的方式;更令我有感触的是,他们进行的这些世界顶尖级别的实验,在实验之初就公布出了它们是如何组织实施的、实验的目标以及可能出现的结果,如此公开透明,就没有“专利”诉求或技术秘密被窃取吗?
    没有,科学是大众的,属于全人类;大凡属于公益的事业,都自带这样的属性;做教育的、政府行为等等,可不能小气,藏着掖着的,因为,这是公益事业,属于所有的人。

 楼主| 发表于 2018-9-13 09:02:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 langyanjun 于 2018-9-13 09:04 编辑

                                                                                               谈谈对称性
    通常所说的对称性,如北京故宫整体设计上沿着中轴对称,这种对称性初中生就能非常便捷的理解,图形在空间上的对称除了轴对称,还有中心对称,圆不仅直径对称还以圆心为中心对称,在科学上的对称性除了这些直观的对称,还有抽象的对称。
    抽象的对称性,在中学也学过,但少有人指出过,比如牛顿第一运动定律,初中就学了,动量守恒定律是在高中学的,但它在实质上是牛顿第一定律的延展;能量守恒定律在初中就触及到并用它定性的判断科学问题,到了高中则更深一步的研究了它,并用它来解决科学问题、且能定量计算该问题。这些守恒定律,其实就是对称性的体现:
牛顿第一定律、动量守恒定律,是空间对称,对称性意味着不可分辨,在空间上平移的不可分辨性,牛顿第一定律说明在空间上物体的运动状态不可分辨,动量守恒定律说明在空间上物体(物体组成的系统)的动量不可分辨,在一个具体的空间上物体组成系统的动量跟下一个空间系统的动量不可分辨;而能量守恒定律,说明物体(及组成的系统)的能量在时间上是对称的,即前一时间的能量和后一时间的能量不可分辨。这种空间对称和时间对称,就很抽象了。
    所有物质运动的规律,都具有时间对称性,表现在:在描述运动规律的公式中,将时间(t)反演,变成负值(-t),物质的运动规律依然成立。这说明,将时间向后或向前延展,物质的运动遵循同样的规律,这是运动规律具有时间对称性的具体而生动的体现。
    科学家意识到对称性是普遍存在于宇宙间的规律,这种对称性尽管不如人站在镜子面前,镜子里也有同样的一个人那样直观,但它在指导科学研究上,却有着重大作用。比如人们探索未知领域,就犹如一个人走进了茫茫丛林或茫茫沙漠,哪是前行的方向?哪是解决问题的途径,似乎一片茫然,但正如《荒野求生》里揭示出来的,在丛林里看到河流,沿着河流的方向走就能走出困境,在沙漠中依照一定的指示(如鸟的行踪)也可以找到方向一样,对称性就是这样的一条丛林中的河流、沙漠中的指示,而且这不仅仅是一种理论,科学家已经运用这种策略,发现了新的、之前未知的粒子,并发现了能解释现象的规律。
    对称性,很直观,只要你站在镜子前,就看到一个对称的你;对称性,也很抽象,不仅时间上、空间上有对称性,甚至科学规律也有对称性,即人们知道了一个事物、规律,根据对称性就可以顺藤摸瓜的找到与它对称的另一个新事物、新规律,如起初人们发现了负电子,后来发现还有正电子,有物质,还有反物质。
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 楼主| 发表于 2018-9-13 09:04:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 langyanjun 于 2018-9-13 09:06 编辑

趣谈薛定谔的猫
    薛定谔的猫,是量子力学的奠基者之一薛定谔的一个形象的比喻,他在讲述微观的量子领域事物的存在状态时,用一只装在盒子里的猫来代表粒子的存在状态——是存在还是不存在(在这个地方还是不在这个地方)?用猫的生死来表示这种对立的状态。一般而言,猫要么活着要么死了,二者必居其一,对一个确定的时间,猫的生死是确定的事件,这在我们的生活经验里不容置疑。但在微观的量子世界里,却否定的这个我们习以为常颠覆不破的真理:没打开盒子的时候,猫可能活着,也可能死了,猫的生死完全由打开盒子这个行为(即观察测量)所决定。
    这真是太神秘了,我们一直认定的“客观世界”或“客观实在性”或“不以人的意志为转移、不以人的意识而独立存在的客观性”,指的就是无论我们看不看它、想不想它,客观事物总是有一个确定的状态,就像装在薛定谔盒子里的猫,在一个确定的时刻,猫的状态要么活着要么死了,这跟你看不看它、想它不想它,没有关系,也跟你是不是对它进行了观测无关。但,在量子力学这门最前沿的科学里,事物的存在状态却直接跟跟观测者关联起来了,而且这个关联还不是一般的相关性,而是观测者对被观测对象的存在状态具有决定性,这不是唯心主义吗?我们是唯物主义者,可不是唯心主义者,我们不相信薛定谔的猫的生死,是由我们是不是看它、是不是对它进行了观测所决定的。
    当然,这里所说的量子力学里的事物,比如微观的组成物质的微粒,它的存在状态跟是不是测量了它直接相关或直接决定,并不涉及观测和测量的误差,即事物的存在状态、薛定谔猫的生死,不是由于测量它的人所使用的器材、测量方法以及观测者眼睛观测事物不准确这些误差导致的不确定性,这里所说的测量都是准确的。
    这真是太不可思议了!一个事物,在某个确定的时刻,它的存在状态、薛定谔猫的生死,竟然是不确定的!如果确实如此,那么,客观世界里的客观事物,还有“不以人的意志和认识为转移的客观实在性”吗?难道,一个事物,比如我今天来到学校上课,这个事物不具有确定性吗?在这一时刻,我要么来到学校、坐在办公室里的椅子上正打字写这篇文章,要么,我没来到学校、没有坐在办公室里的椅子上也没有打字写这篇文章,我要么在这儿,要么不在这儿,这个事情是确定不移的,不可能我在这个时刻,我既在这儿又不这儿。
    这是我们的世界,我们生活的世界确实如此,这正是我们的福祉所在,我们能够安心、能够认知事物,都在这样的确定性基础上。量子力学尽管是微观领域的世界,难道仅仅因为这个微观世界里的事物、比如电子,它的尺寸小、所占有的空间小,我们的肉眼不能直接看到它,它的行为、它的存在状态,就连它存在不存在、它是不是在一个确定的地方,都是模棱两可的、不确定的吗?
还真是这样!量子力学的事物、微观世界里的事物,确实跟我们日常生活的常识完全不同,一个电子,在一个确定的时刻,它可以即在这儿、又不在这儿,薛定谔的猫,在一个确定的时刻,它既活着,又死去了。到底这只猫是活着还是死去了,这取决于观测者是不是看它了、是不是对它进行了观测。
    原来,我们用眼睛看到事物、认知事物,靠的是光线,在完全黑暗的环境里,我们的眼睛里没有光线射入,我们就看不到任何事物,这里的“看”就是观测。在日常生活里,一个东西比如一张桌子是不是在屋里的一个确定的地方,一只普通的猫是活着还是死了,即便周围一片黑暗,我们的眼睛确实看不到它们,但它们的存在状态也是确定不移的,我们观测它——比如看它,不会对它的存在状态有任何影响。但在量子力学里,在微观世界里,观测一个事物,比如观测一个电子,就对它的存在状态产生了重大影响;这是因为,我们看它、观测它,用的光,具体来说是光子,光子是跟电子一样大小的微粒,当光子跟电子碰撞后再反射到我们的眼睛里,被我们觉察到、观测到它的存在状态,这本身就对电子产生了“天崩地裂”的影响,这个行为本身就决定了被观测的事物:它在这儿还是不在这儿?是运动还是静止、如果运动的话是如何运动的?
    这就是薛定谔的猫,它的生死是不确定的,直接决定它是活着还是死去的在于你是不是看它了,你看了它,就是对它进行了观测,而一旦你观测了它,对它而言就是一个“天崩地裂”的事件,它可能因为这个天崩地裂的事件而被强力推到“九霄云外”了,此时你就观测到它的速度但不知道它跑到哪儿去了,即不知道它的位置在哪儿;也有可能它本来飞快的运动着,由于这次“天崩地裂”的碰撞而突然停了下来,这样你就观测到了它处在什么对方、知道它在什么位置,但你不知道它的速度。量子力学里有一个著名的原理——测不准原理,或称之为不确定性原理,说的就是在微观世界里,如果测量一个粒子,如电子,如果你测量了它所处的位置,那么你就不知道它的运动状况,如果你测量到它的速度,那么你就不能知道它到底在什么地方。
    这只薛定谔的猫,真是神秘莫测啊,这只神奇的猫,还有更加惊心动魄的本事呢。
    (这类小文,普及科学最前沿,望读者提提意见和建议,怎么让人读了之后欲罢不能)

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 楼主| 发表于 2018-9-13 09:07:14 | 显示全部楼层
本帖最后由 langyanjun 于 2018-9-13 09:09 编辑

趣谈薛定谔的猫(续)
    薛定谔的猫实验,只是在头脑中存在的一个思想实验,现实中根本做不到,它是脱离现实存在的理想实验,它是讲这样一个道理:猫在盒子里有50%的概率活着,有50%的概率死了,我们日常生活里的逻辑判断是,如果是一只普通的猫,即便我们不打开盒子也能确知确信在某个时刻,这只猫要么活着、要么死了,如果在该时刻它活着,那么它就100%的活着,如果在该时刻它死了,它就100%死了,不可能存在既活着又死了的状态,而且猫的状态也跟人是不是打开盒子观测它无关,观测只是让人“知道”猫是死是活,它不决定猫的生死。这只猫的生死尽管是概率事件,但在某个时刻却是确定的事件;但薛定谔的猫,不是一般的猫,它指微观世界里的事物、如粒子,电子或光子等,它在盒子里是活着还是死了,在由打开盒子的那个时刻的观测行为所决定的,即你看它一眼,就杀死了它。
    微观粒子的存在状态,它的行为,非常稀奇古怪,这是站在我们的现实生活、日常生活的角度观察它得到的感触,如果站在粒子的角度查看我们的现实的宏观世界、日常生活,它也会觉得我们的现实存在非常稀奇古怪,因为我们的宏观的现实生活跟它迥然不同。其实,只要我们“换位思考”,站在微观粒子的角度观测,看一眼就能杀死一只薛定谔的猫,就是太稀松平常的事了:我们知道,光是已知真实存在的最高速度,一个光子,它永远不会停止下来,每时每刻都以每秒钟30万公里的速度飞驰,简直比“风驰电掣”的速度高出亿万倍,光子没有静止质量,就是说,光子的静止质量是0。光子虽然没有质量,但它却有动量、有动能。当光子以这样的速度跟物体相撞时,那情景一定惊心动魄,绝对比“天崩地裂”还要惊悚,而人们所谓的“观测”,其实就是用光来跟被观测的事物碰撞,光子碰撞之后被反射回来,到了我们的眼睛里,我们就能看到被观测的东西了。可见,这里的“看”,即“观测”,是向被观测的对象发出每秒飞驰30万公里的光,靠光的反射来观测;我们还知道,要看清楚一个物体,光线必须多一点、要亮一些,才能观测清楚,如果虽然有光线但很暗,我们同样不能看清楚物体。同样的,观测微观世界里的粒子,要看得清楚,就必须用足够强、足够亮的光来照射它,这样,由于观测这个行为本身,对微观世界里的被观测粒子的扰动,实在大得难以想象了。这正是不确定性(即,粒子的位置和速度,永远无法同时确知,你只能测知其一,而且越是对一个量测得精确,对另一个量就越是知道得模糊)。
    薛定谔的猫,不止可以是电子,也可以是光子或其他粒子。光是我们最常见的东西了,似乎它司空见惯,太稀松平常了;但,人类对光的认识,至今都不敢说透彻了——光子,太神奇了,太不可思议了。人类到现在为止,依旧不能确知它到底是什么,于是人们就用光有“波粒二象性”来囊括光所表现出来的的粒子性和波动性。当我们将光称为“光子”时,是说光像我们熟知的小球那样运动,只是它的速度非常快;当我们说光是一种电磁波的时候,是说光表现出来的就像水波那样,一波一波的向外传播。
    我们在中学科学教科书里知道,光的单缝衍射和光的双缝干涉,如果我们仅仅对它“知道”,而不是深入思索,就会停止在光是一种波的“知道”中。事实上,这个实验非常了不起,尤其是光的双缝干涉实验,深入思索它、就迈进了量子力学的门槛,至今人们也不敢确定的说已经完全解读了这个实验提供出的关于宇宙、关于光的所有性质了。
    光是像小球一样的粒子,光照在人的身上会对人产生压力,人们第一次认识到光能产生压力,是17世纪德国天文学家开普勒发现的:他观测到彗星通过太阳附近,它的尾巴总是远离太阳,于是他推定这是由于彗星受到了太阳光辐射的压力,致使这个压力将彗星的尾巴推向远离太阳的方向。后来,人们通过实验证实了这个推想,而现在,人们已经能够利用光的压力,来推动物体运动,医学上能运用光的压力效应制造了“光镊”——将光线像镊子那样夹取物体,用光来夹取患病的人身体内发生病变的细胞或组织。
    至今,人们还是不太满意光既是粒子又是波,这样的结论。现代实验技术已经能将光子一个一个的发出,科学家就想搞清楚:我将光子一个一个的发出去,看看这一个光子到底像小球一样运动、沿着什么路径到了什么对方,如果光子波动向前,通过单缝或双缝,是不是也产生干涉(事实证明,确实也干涉了;由此,人们得知,一个光子,也能产生干涉,显然这是它自己跟自己干涉,这同样令人费解)。于是,科学家用了大量心血制造出来了专门的仪器,就专门来看看这一个光子的运行轨迹。
    实验结果更令人惊奇:如果你观测到了光子的路径,确知它像人们能理解的小球那样飞快的向前运动,它就不产生干涉,即就不表现出来波动性;如果你观测到光子通过双缝产生了干涉,表现出来了波动性,那你就永远无法知道这个光子是通过什么路径过来的。于是,人们就推想:同一个光子,它怎么知道你想观测它的粒子性(即观测它的运动轨迹)还是想观测它的波动性(即观测它的干涉),难道你想看到什么就只能看到什么吗?难道光子知道你想观测它吗?它知道你观测什么它就表现什么,就将它自身携带的另一个性质隐藏起来不让人观测?
    这不是躲迷藏吗?这只狡猾的薛定谔的猫!到底它是什么,到底它处于什么状态?最伟大的科学家,至今依旧为之困惑呢。



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 楼主| 发表于 2018-9-13 09:08:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 langyanjun 于 2018-9-13 09:11 编辑

  趣谈薛定谔的猫(再续)
        薛定谔盒子里的猫,可以同时处于活着和死掉了这种状态,在日常生活里不可思议,但它却是微观世界里的真实处境:它说的是猫(微观粒子)处于叠加状态,就如同我们在双缝干涉实验里看到的景象——无论波峰叠加而显现出来的亮条纹还是波谷叠加而显现出来的暗条纹,都是波峰和波谷叠加的结果;而干涉图样中不是亮条纹也不是暗条纹的中间地带,也是波峰和波谷叠加的结果,它就是猫所处的不活也不死的那种状态。
   即将诞生的量子计算机,之所以计算速度比电子计算机快很多,就是因为电子计算机只利用了波峰和波谷这两个信息,即0和1,而将波峰和波谷之间那些中间地带的信息都忽略掉了,即0和1之间的那些中间数值都没有得到应用,而量子计算机除了运用0和1之外,也将0和1之间的中间数值都应用了。这样充分的挖掘和利用了信息资源,自然处理问题的能力就大大增强了。
   薛定谔的猫的生死概率,是量子力学里神秘的概率,即,是两种状态的叠加——如双缝干涉,它不是我们日常生活中的那种概率,如掷硬币出现反面和正面的概率,就是经典的概率事件,它不难理解。微观世界里即量子力学里的概率,所具有的神异性,远远超过日常经验,也远远超出了经典科学如牛顿定律所能够对现实世界的解读。
   别说是你,就连最伟大的科学家,有的也绝不相信“不确定性”,即粒子的速度和位置不能同时确定,上个世纪50年代的物理学家玻姆就坚持认为:虽然我们不能同时测量出粒子的速度和位置,但在某一个时刻该粒子的速度和位置也是确定的。爱因斯坦也持这样的观点,他甚至幽默的反问道:“难道你真的认为,如果你不抬头看,月亮就不在那儿吗?”此前,说微观世界的“不确定性”时,由于人们使用电磁力(即用光子)来测量微粒(如电子),它们相撞时对电子的影响巨大,因而,还真有科学家设计了实验器材,不用光子直接撞击电子,而是用间接的方法测量电子的速度,然后同时测量其位置。结果发现,不能测定该时刻它在哪儿。
    科学颠覆了我们的日常认知,其实,微观世界里的“不确定性”才是其实在性;令人惊奇的是,这些如此不确定性的微小粒子组成了我们的身体,组成了我们生活世界的一切事物,而它们却具有了我们所感知到的那些稳定性和确定性。真是太奇怪了;比如,我们的第一颗科学实验卫星——墨子,就做量子纠缠实验,该实验来检验两个相距遥远的纠缠粒子,它们的存在状态却是一模一样的:当其中一个光子的状态改变时,另一个也做出相应的改变,且这种改变是同时的,不需要经过任何时间——哪怕相距千万光年。
    真是奇哉妙哉!
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 楼主| 发表于 2018-9-13 09:13:31 | 显示全部楼层
                                                          科学家趣事
    手头上有两本科普书,一本是英国人乔恩.巴特沃斯写的《希格斯粒子是如何找到的?》,作者是在大型强子对撞机(LHC)工作过的科学家讲述自己搞科学研究的故事;一本是日本人户塚洋二、梶田隆章写的《从地底发现宇宙》,作者是在日本神冈(地名)做科学研究的人讲述他们的故事。凑巧的是,在这两本书的记述中,都有对对方工作及其进展的描述,原来,尽管他们的国家不同,但所从事的科学研究却是相同相通的,他们对对方的工作及其进展都有足够的尊重。
    在现代的英国,他们的国情大抵是允许色情行业的。作者就记述了这样的故事:在他工作和住宿(生活)的地方,诸多外地的英国人一提到那个地方,脑海中有印迹的有两件事,其中一件即是色情行业,他们这些科学家的工作不是“长白班”,很多时候是夜里工作,通宵工作时有发生。有一次,他工作完毕到了凌晨4点多钟,于是到了酒吧吃夜宵、消遣、休息,正当他吃饭的时候,突然发现一条大腿搭在了他吃饭的桌子上(也可能是他的大腿上,对此我记不清楚了),并对他说了“娇滴滴”的话和邀请他到什么房间里去,此时,他点的两个煎鸡蛋已经端到桌子上,他对这两个煎鸡蛋的形状、色泽、气味等有清晰而详尽的描述,他也正端着啤酒杯要往嘴里送。此时的他匆忙委婉的拒绝了,大概因那女人贴他太近,他匆忙中“急中生智”的将啤酒倒进了自己的真皮上衣口袋里,并将那两个尚未吃的煎鸡蛋打包,赶紧离开了那个酒吧,走回自己的宿舍。
    回家的路上,他不小心将两个煎鸡蛋中的第一个掉在了地上,他清晰而详尽的描述了那个掉在地上的煎鸡蛋,不忍让它这样被冷落被浪费,于是弯腰想将其捡起来。他忽然发现,当他正要捡起来煎鸡蛋的时候,有个家伙不知从哪里往躺在地上煎鸡蛋的地方倒啤酒,他于是赶紧起来,看着那个被迸溅上啤酒的煎鸡蛋,觉得有些惋惜,于是再次弯腰想将其捡起来,这一次,那个不知藏在什么对方家伙,再一次往煎鸡蛋的地方倒啤酒,致使煎鸡蛋搞得面目全非了。只得作罢。
    此时,他发现,跟他一起回宿舍的同事,正在前面看着他笑得前仰后合。
    呵呵,纯净的心,赤子之心呢;真有意思,即便科学研究没黑没有钟点的的做,即便科研在他人看来单调乏味,但对于沉浸其中,沉浸在他们的生活之中的人来说,趣味盎然呢。
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 楼主| 发表于 2018-9-13 09:16:09 | 显示全部楼层
                                                         科学家的分类(理论科学和实验科学)
    除了科学研究的对象和内容的不同而产生的对科学家的分类,如天文学家、物理学家、化学家、生物学家等等,还可以分成理论科学家和实验科学家,实验科学家是专门设计实验来证实(即,证明某个理论是正确的)或证伪(即,证明某个理论是错误的)某个理论的,也可能在实验中发现理论所不能包容的内容,从而发展出一种新的对物质或物质运动的新假说(即,新理论)。
    我们所知的所有科学知识,都是经过实验检验是正确的、符合实际的,表达了物质及物质运动的真实情况。有些科学实验很容易就可以做到,如设计验证牛顿第三定律的实验,只要你站在一堵墙的前面,用力推它就可以粗略的检验其正确性。但有些实验,尤其是关涉到宇宙学、基本粒子科学的实验,则极其庞杂、巨大,而制造这些实验仪器也用到相当多的科学知识。下面谈谈一些庞大得吓人、复杂得吓人的实验装置:
    1.世界上最大的实验仪器,是地处瑞士和法国交界处的日内瓦的大型强子对撞机(LHC),它在地下一百多米深处,是长27公里的环形圆筒状设施,周围布满了高科技的测量仪器以检测记录质子(即强子)对撞信息,ATLAS和CMS就是其中四个大型探测器中的两个多功能探测器,它们各自重达万吨,有六七层楼那么高。LHC及其配套的六个探测器是由80多个国家的近万名科学家,历经20年,花费逾100亿美元建立起来的。它满负荷运行时所耗费的电力,相当于一座中型城市的用电量。
    ATLAS和CMS这两个大型多功能探测器,所探测的是同一个东西,那么,为什么还要两个这么大的仪器呢?原来,ATLAS和CMS所依据的原理不同,使用ATLAS和使用CMS的科学家所秉持所认可的理论不同,这两个大家伙的内部结构及其外观各部相同,为了能使得持有不同理论的科学家拥有同样的科学研究的机会,同时也是为了使用ATLAS的科学家和使用CMS的科学家进行竞争,验证各自所秉持的理论的正确性,于是不惜耗费巨资、动用大量科学家对同一样东西进行探测。2012年7月4日,是人类科学史上一个重要的日子,这一天ATLAS和CMS在LHC运行三年后同时宣布,在各自的探测器上均发现了物理学家,乃至全人类期盼已久的所谓“上帝粒子”——希格斯粒子存在的迹象。
    2.日本的神冈宇宙基本粒子研究设施。神冈是日本的一个县——歧阜县里的一个地名,该研究设施在地下1000米的深处,它是利用一处废弃的矿井建成的大型设施,用来检测来自宇宙的基本粒子和来自太阳中微子射线。它的主要部分是直径39.3米、高41.4米的巨型金属圆筒,里面装着5万吨的纯净水,巨型金属桶的内壁安装着中微子事象测定器——共11146根20英寸口径的光电倍增管,外部的反计数器则使用了1885根8英寸的光电倍增管。
    这个隐藏在地下一千米深处的大水桶,是用来研究太阳的,我们所知的那些太阳的信息,比如太阳内部的核聚变,太阳内部不同深度的温度以及不同深度有什么物质,等等,都不是随意说出来的,它们来自观测数据和计算,而观测数据,正是靠“超级神冈”等这样的装置。
    3.我国新近建成并已经在2016年9月26日投入使用的大型射电望远镜FAST,口径是500米,是世界上最大的射电望远镜.
    目前,FAST已经发现了9颗脉冲星。
    4.国际空间站(ISS)。它是在1983年由美国总统里根提出设想,
    以美国和俄罗斯为首,多个国家和国际太空机构设计,并于1993年完成设计,开始实施。它长51米,宽109米,质量是369914公斤,绕地一圈用时90分钟。它由多个工作舱组成。
    中国想参与国际空间站,遭到美国的反对;中国计划于2022年建成自己的空间站。
    5.哈勃空间望远镜(HST)。它以爱德温.哈勃命名的绕地望远镜,于1990年发射。我们所使用的太空照片,多半是HST拍照共享出来的;它长13.3米,直径4.3米,重11.6吨。
    由HST传来的数据,人们观测到了宇宙的膨胀系数,从而推算出宇宙的年龄是138亿年,由HST数据还使得人们对恒星的生成和死亡、黑洞和暗物质等有所认识——科学上关于这些方面的知识,大多来自于它,而且,HST照片还发现了距离地球134亿光年(即,光用了134亿年才跑到地球上来,所通过的距离)一个异常明亮的星系,即人们看到了大爆炸后4亿年后的样子。
    6.在美国,有一个专门用于测定引力使得物体的长度变化的装置,它是两根各800米长的金属管,以十字型排列并使得它常年保持恒温。根据理论推算,处于引力场中的物体,其尺寸会因引力场的变化而变化,在地球上由地球本身产生的引力场是恒定的,所以若在地球上验证该理论并测定物体随引力场的变化系数,就需要将宇宙中大质量星体的变化传递给地球的影响考虑进去,该装置正是用来感应当大质量恒星生死的瞬间引发的引力波,波及地球时产生的影响,具体说就是引力场的变化使得金属管的长度发生变化,装置就将这个变化观测记录下来。为了使得观测能对来自横向和纵向的引力场变化有反应,所以,采用十字型金属管,使用金属管,是因为金属随引力场的变化大,使用恒温装置,是为了让金属管的长度不因外界温度的变化而变化,而影响了测量结果。
    但,800米的金属管,即便有因引力场变化而发生的变化,其长度也微乎其微,仪器也难以测量出来,于是科学家在空腔的金属管内,用激光使其在管内两个端点之间反复反射,这样就能将金属管长度的变化放大到千万倍——即,相当于将800米长的金属管放大了几十万倍的长度。
    科学家,真善于动脑筋啊!
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 楼主| 发表于 2018-9-13 14:20:24 | 显示全部楼层
                                              反物质就在我们身边
    从科幻电影或动画片中,可以看到这样的镜头:由反物质制造的物体跟我们日常所用的普通物质制造的物体相遇,就发生“大爆炸”,无论普通物质组成的物体还是反物质组成的物体,就都灰飞烟灭,在一场大火球中消失不见了。这些景象并不荒诞,在科学上是可以真实发生的,只是你不要将它想象成炸弹爆炸或一堆燃料发生了燃烧,那样的物质消失了就好,因为物质和反物质相遇而发生相互湮灭,跟炸弹爆炸或燃料燃烧引起的物质“消失了”,原理是不一样的。
    但,它们所发生的变化,依旧遵循物质不灭和能量守恒原理。我们知道,电子带负电,它的反粒子——正电子带正电,且所带的电量跟电子带的电量一样多,当电子和正电子相遇时,正负电子湮灭而生成两个光子;我们还知道,质子带正电,质子也有其“反物质”,即反质子——带负电的质子。现在的科学发现,几乎所有的基本粒子,都有各自的反粒子;我们还知道,最简单的原子是氢原子,它由一个带正电的质子(以及不带电的中子)组成的原子核,和绕着原子核运转的电子组成,反质子组成的原子核和正电子相结合,就促成了氢原子的反物质——反氢。由许多反氢组成的物质,就是氢的反物质。
    现在医院里的PET诊断技术,就是反物质——反电子,即正电子的一种应用。PET是英文positron emission tomography 的缩写,意思是“正电子发射型断层成像”,它是将某种元素的放射性同位素引入体内,利用其衰变发射的正电子获取诊断信息。下面简述一下同位素和放射性。
    质子数相同而中子数不同的原子互为同位素。原子核的放射性衰变时间由其内的中子和质子共同确定,但元素的化学性质取决于电子数,而电子数由质子确定,以保证正负电荷相消,最终得到电中性的原子。因此,包含6个质子、5个中子的不稳定同位素碳-11和包含6个质子、6个中子的稳定同位素-12的化学性质完全相同。这意味着,糖或蛋白质的分子和化合物可以含有碳-11,这种糖或蛋白质和普通的没有什么两样,但碳-11在一段时间后会发生衰变,发射出一个正电子。
    在人体内游荡时,这个正电子很快会遇到另一个电子,两者相遇会相互湮灭,生成两个光子。通过测量这些光子,可以非常精确的(无须担心:它只需要很低剂量的辐射)描绘出同位素在体内的位置,这样就可以非常详细的了解身体状况。这就是同位素诊断的原理。
    现在,科学家已经证实,在基本粒子中,三代12个费米子(夸克和轻子,其中夸克有6个,它们组成了质子和中子;轻子有6个,分别是电子e、µ子和τ子,以及它们各自的中微子),每个都有反粒子。
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 楼主| 发表于 2018-9-13 16:10:26 | 显示全部楼层
                                                再谈反物质
    科学家至今不明白,同样属于物质,为什么反物质那样的少,以至于当谈及反物质,就以为这不是地球上发生的事,好像是在火星上的事一样稀罕,而普通的物质,我们遥望星空看到星汉满天,数不清的恒星、星星以及尘埃星云,都是由物质组成的。我们的地球以及我们的身体,也都是由物质组成,而不是由反物质组成。
    我想,这样的设计也无须去搞明白,如果反物质跟物质一样多,或者尽管比物质少但比现在宇宙中存在的反物质要多得多,整个宇宙可就没有一刻消停的时候了:到处都在湮灭、到处都在生成,而这个湮灭和生成跟我们人体的新陈代谢,跟地球上各种物质和元素的交换大不形同,如刮风下雨、水流山移,各种物质重新排列组合,会有新的地貌、新的物种生成,同时也有山川湖海的消亡、物种的消亡,物质和反物质相遇,那可是比天崩地裂还要惨烈亿万倍,恐怕与堪称“宇宙大爆炸”的情景相媲美。
    反物质跟物质的“相反”性,不止是电荷的正负,质子带正电、电子带负电,一个质子和一个电子所带的电量也一样,但它们显然不是物质-反物质,要构成对应的“物质-反物质”,还有其他的要求。譬如,电子和正电子就能构成“物质-反物质”即“粒子-反粒子”,正电子不仅所带电荷的性质跟电子相反,它们的质量还完全一样大,而且正电子的自旋跟电子的自旋正好是相反的。这样,当两个有同样质量的正负电子相遇时,就生成了没有质量的两个光子。
    这看似不合情理,两个有质量的东西,怎么变成了两个没有质量的东西呢?这是不是说明物质真的是湮灭了、消灭了呢?如果是这样,那么,物质不灭和能量守恒定律,岂不是不发生作用了,或者干脆就被证明是错误的了?其实不然,根据爱因斯坦的质能方程:E=mc^2,物质的质量跟能量等价,电荷守恒定律、物质和能量守恒定律,依旧是宇宙间普遍的规律,是正确的。
    电子的自旋对原子的行为至关重要,同时也对元素在元素周期表中的排列至关重要。反物质的存在,是理论科学家做出的预言,在他们做出预言之后过了许多岁月,才被实验科学家所证实:反物质,确实存在。这个做出预言的理论科学家,是量子力学之父狄拉克。
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 楼主| 发表于 2018-9-14 10:22:54 | 显示全部楼层
                                                                电子是波
    中学教科书里,将电子描述为围绕原子核旋转的电子云,且每个电子都占据固定的轨道,如果电子从一个轨道跃迁到另一个轨道,就要吸收能量(从低能轨道跃迁到高能轨道)或释放能量(从高能轨道跃迁到低能轨道)。
    许多人的想象里,电子就是一个像小球一样的微粒,只是这个小球极其微小。这种看法是对的,但它不完整,电子具有粒子性,也具有波动性;电子的性质,就跟光子(光的最小单位)一样,光具有“波粒二象性”,电子也具有波粒二象性。
    直接证明电子是波的实验是电子的双缝干涉实验,现代技术能做到将电子一个一个的发射出去,这一个一个发射出去的电子,经过双缝,就在双缝后面的光屏上产生出干涉图样,而干涉是波的典型特征;不止如此,科学家还发现一个奇异的现象:单个的电子经过双缝也能产生干涉现象,这说明一个电子能跟自己干涉,而在人们的常识中,干涉是同时到达的两列波的叠加,亮条纹是波峰的叠加,暗条纹是波谷的叠加,以此推断,单个电子跟自己干涉,如何解释呢?有科学家解释说,单个电子的干涉图样表明了电子在跟自己的历史干涉——即,跟自己已经经过了的状态进行干涉,这大大颠覆了人们对时间的认识。
    如果你将电子看成波,就容易理解为什么电子一定要在固定的轨道上旋转,而不能一会儿靠得原子核近一点儿,一会儿又离得原子核远一点儿。在固定的轨道中,轨道的周长恰好等于电子波波长的整数倍,所以,当波沿着轨道传播时,每个波刚好叠加在一起,形成“驻波”,而那些无法完全吻合的波会在轨道每一处都出现波峰和波谷、相互抵消,因此,那些波长对应的能量不存在。
    驻波听起来有些神秘。在求解围绕原子运动的电子的薛定谔方程时,其最终答案的量子力学图像最接近于驻波;这如果难以理解,日常生活里,一些乐器的工作原理就是利用驻波。譬如,琴弦的每一根弦都有一个基准音,对应于弦的振动,振动波长就是弦长的整数倍,比如波长是弦长的1倍、2倍、3倍等等,不同的倍数其弦的基准音就不同,发出特定的音。
    在对光的性质上,即便科学家——那些最伟大的科学家,也有不同的看法,比如有的说光具有波粒二象性,有的答案则是“都不是”,有的答案则是“都是”,还有的说,波和粒子的概念都是用日常生活里的东西对量子世界里的东西所做的类比,即不准确也不完美,真正的本体其实是量子场的激发态。
    当然,量子有能量、动量、波长和频率,而它们之间都相互关联。能量正比于频率,动量正比于波长的倒数,所以搞能量意味着高频率,高动量意味着短波长。即,高能量对应于高动量对应于短波长。
    波长决定了分辨率,即你所能看见的最小物体。人类的眼睛的分辨率,是由太阳光的最主要的波长所决定的,这是人(其他动物也是这样)随着大自然进化的结果,一般而言,人所能看到的物体尺寸即分辨率在400纳米到700纳米之间,而1毫米=1000000纳米,即人眼能分辨万分之四毫米到万分之七毫米这么大尺寸的物体,尺寸再小的物体,人眼就对它熟视无睹了,比如人眼前的空气分子,我们永远看不到它,虽然它距离人眼很近也看不到,因为这些小分子物体的尺寸远小于纳米的万分之一。
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 楼主| 发表于 2018-9-18 14:52:04 | 显示全部楼层
本帖最后由 langyanjun 于 2018-9-18 14:56 编辑

                                                          希格斯粒子是什么?
    希格斯,是个人名,全称是彼得.希格斯,是英国理论物理学家,在2012年7月4日LHC宣布发现了新粒子就是希格斯粒子之后的2013年,希格斯获得了诺贝尔物理学奖。
    希格斯和其他物理学家在上个世纪发现了解释和建立粒子物理标准模型的机制——人们称之为希格斯机制,这种机制预言了人们尚未发现的一种粒子,正是这种未被发现的粒子赋予了已经发现的基本粒子以质量,如作为费米子的夸克和轻子,作为传播力的胶子、光子和玻色子,其质量来自哪里呢?正是来自这种未被发现的粒子。2012年7月4日发现的新粒子,正是这种赋予其他粒子以质量并让自身也有质量的粒子,人们将它命名为希格斯粒子——为了纪念希格斯在这方面做出的贡献。
    希格斯粒子的质量大约是125Gev,ev是电子伏特,一个电子在1v的电压下获得的能量就是1ev,即1电子伏特,它是能量的单位,但根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,粒子的质量在粒子物理学中通常用电子伏来表示,1kev=1000ev,1Gev=1000kev,1Tev=1000Gev
    希格斯粒子是比质子和中子还要小的粒子,肉眼肯定看不到它,但大型强子对撞机(LHC)的两个巨型探测器ATLAS和CMS,这两个六七层楼高的大家伙——高精度的高科技仪器,就是为了观测这个肉眼看不到的小粒子设计和工作的。LHC是质子对撞,其实真正起作用的是质子内部的组成粒子——夸克和胶子的对撞,ATLAS和CMS就是记录和分析这些对撞事例,从中发现隐藏在诸多现象中的“上帝粒子”——希格斯粒子。
    实验科学家从诸多对撞的能量中,逐步缩小范围找寻这个神秘的粒子,这真如大海捞针一般,因为谁都不知道它是什么,在什么能量范围,碰撞后的反应是什么样的,一概不知,只有从现象中一点一点的剥皮抽茧;在这个寻找的过程中,探测器记录的数据是海量的数据,仅2012年,记录的数据相当于叠成5000米高的CD光盘,当然,分析这些数据还需要一定的理论指导,ATLAS和CMS就是各自用不同的理论来观测的。
    理论的推算是确信希格斯粒子存在的理由,这个理论推算就是相信数学的正确性而创造了充盈全宇宙的场——希格斯场,它使得大到宏观的星系星云小到质子中子内部的诸多粒子,都能够有质量有作用力,加上人们对美、对称性以及和谐统一的优雅的宇宙的偏爱,使得人们坚定的找寻它。完成这项工作,是几乎全人类的智慧,全世界约有35个国家和地区的超过140个计算中心组成了全球计算网络,不止是欧洲核子中心(CERN)在计算、在找寻希格斯粒子。
    中国在找寻希格斯粒子的过程中也做了贡献:在测定粒子角动量混合角θ上,中国核物理学家在人们迷茫找不到方向的时候,给出了确切的数值,这使得人们在探寻的方向上获得的信心。事实上,希格斯粒子的发现,是众多科学家一点一滴积累进步的结果,单单是在ATLAS和CMS工作的科学家,分别有3000多人;对粒子理论做出过贡献的人,比如朗道—杨定理,杨—米尔斯理论,以及对称性的物理思想,都对希格斯粒子的寻找,起到重要作用。
    事实上,人们判定找到的新粒子就是希格斯粒子,就是根据这些理论断言和物理思想来认定的。譬如,关于对称性,如果发现的是希格斯粒子(希格斯玻色子),它必须拥有CP两种对称性的组合操作。C(来自charge)代表电荷共轭操作,即正电荷变成负电荷,系统无变化;P(来自parity)代表空间反演操作,即宇称,简言之可称为空间对称,CP对称性是标准模型的严格对称性,但从如此对称性的理论中推到出如此不对称的宇宙是个巨大的挑战,而且需要一些CP对称性破坏的来源。而许多新理论(例如超对称)可以提供CP破坏。所有这些都说明一件事:测量新发现的玻色子在CP反转操作下的性质非常重要。
    在LHC上,观测到了和预期数量差不多的希格斯玻色子,这为新玻色子跟顶夸克耦合,并因此通过BEH机制赋予顶夸克以质量找到的间接证据;同时,在2013年12月,ATLAS和CMS公布了很有说服力的证据,表明希格斯玻色子衰变为τ子和反τ子的过程确实发生,因此成为BEH机制赋予轻子质量的首个直接证据。
总之,确定发现了希格斯粒子,是经过严格的实验测量和计算的,至于发现了这么一个希格斯粒子,有什么用处吗?你说呢?
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 楼主| 发表于 2018-9-18 15:08:11 | 显示全部楼层
                                                            杂谈生活、科学与教育
    手头上的两本书读完了:一本是日本人写的《从地底发现宇宙》,一本英国人是《希格斯粒子是如何找到的?》,写书的人都是当代顶级的科学家,讲述他们各自都做了什么,是怎么做的,这两本书当属科普读物,不是学术,虽然介绍的都是科学最前沿的东西,却用及其浅显易懂的语言和方式来呈现它,中学生就能读懂,正如书中作者所言的,即便你是科学的门外汉,只要现在捧起这本书在读,就能懂得科学的最前沿正做什么、是怎么做的。这样的风范让我很受震撼:研究高深知识的伟大科学家(他们当中有的获得了诺贝尔奖),却有着“达则兼济天下”的情怀,让所有的人都读得懂看得明白,想想中学基础学校教育中,那些将浅显的知识讲得让学生觉得高深莫测一头雾水的做派,真是令人汗颜呢。
    两本书的最后,都讲述了各自对未来工作的打算,要知道,他们分别都担当了各自国家(日本和英国)一个科学研究机构的管理者,他们讲述对未来工作的打算,相当于“工作计划”,以这种方式公开出来让全世界的人们知晓,可见其心胸坦荡、做人做事光明磊落:科学研究,无需藏着掖着,让民众知晓,一是可以让人们因此而对基础研究因理解而支持(据称,LHC的运行,需要欧洲国家的民众每人每年掏出好几块钱),二是推广普及了科学知识和素养、尤其是科学的认识事物的方法和态度。譬如,《希格斯粒子是如何找到的?》,最后一章是《下一步做什么?》,2012年7月4日,已经确定发现了希格斯粒子,彼得.希格斯因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖,那么,人们自然要问:发现希格斯粒子之后,下一步的科学研究工作是做什么呢?彼得.希格斯下一步做什么?LHC的下一步做什么?因发现了希格斯粒子而使得粒子物理学的标准粒子模型得到的最后的验证,那么,标准模型的下一步做什么?超对称和超出标准模型物理的下一步做什么?欧洲核子研究中心(CERN)的下一步做怎么?粒子物理的下一步做什么?我(作者)的下一步做什么?作者都在书中言明了。看到这里,你就会觉得心里很亮堂;尽管科学研究无止境,前面是什么有什么无人能知,但人们的心头有一盏明灯照亮,就觉得生活很光明,很有意义。
    其实,即便有一定知识储备的人,比如瓶中有一点水的我,对那些非常专业的知识也不甚清楚明白,譬如,在《希格斯粒子是如何找到的?》书中,作者实际分析研究的是诸如“喷注”、“凸起”,凸起是在大型综合探测器上显示出来的东西,类似或就是随机事件中的“正态分布曲线图”中高耸的部分,分析研究这个“凸起”就是确定某个事例(日本人称之为“事象”)是不是质子(夸克和胶子)对撞出来的某种已知或未知的东西,而“喷注”就是质子对撞喷出来的东西。我想,这些东西大概是显示在探测器的显示屏上的吧。虽然我也不甚理解,但这并不妨害我对这本所言呈现的东西,有个大致的了解;我想,对科普而言,这就足够了。
    教育有科学性,它体现在教育者对自己的行为之于被教育者的结果,得有点“谱”,这点谱或明晰或模糊,总归该有,如我所读的两本科普读物,他们作为当代最前沿的科学家,有的还是诺贝尔奖获得者,他们对自己未来科学研究还有打算呢,没有这种打算的人显然就是没谱,没谱的人就是不靠谱,那样的生活就不值得过。
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 楼主| 发表于 2018-9-19 11:13:18 | 显示全部楼层
                                                                     什么是量子?
    “量子”在日常生活中越来越常听到了,“墨子”号卫星就是为了量子纠缠、量子密钥分发等科学实验发送上天的,最近“量子计算机”进展受到人们的关注,甚至,街头做野广告的、网上做诈骗的也频频使用“量子××”吸引眼球,以显示自己推销的东西或使用的东西是高科技。那么,什么是量子呢?
    量子是上个世纪发展出来的新的物理理论——量子力学中的核心概念,是说物理量的数值及其变化不是连续的,而是一份一份的,这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化,而变化的最小份额称为量子。比如,光电效应,这是上个世纪爱因斯坦做过的实验:在光的照射下,金属内部的电子会被光激发出来,这些激发出来的电子被连接到电路中,可以让电流表的指针发生偏转;有趣的是,照射金属的光的频率必须大于某个特定的频率时,光才能激发出电流(即光电流),低于特定频率的光无论怎么增大强度,也不会产生光电流。这说明在金属中的电子,要摆脱原子核的束缚从金属中逃逸,必须获得足够多的、特定份额的能量。爱因斯坦于是采用了光量子概念;它说明当电子吸收了特定份额的光量子能量,就能够成为自由电子。
    与日常的一些物理量不同,比如长度、温度等,这些量的变化是连续的,可以有任意大小的数值;量子则只能是一份一份的,其数值是某个确定值的整数倍,譬如,原子核外的电子,不能在核外的任何空间中找到,核外电子都占据着特定的轨道,距离原子核有特定的距离,因此电子的轨道是量子化的,电子所具有的能量也是量子化的。
    光的最小份额是光子,光量子的能量是E=hγ,式中,h是普朗克常数,γ是光的频率,从公式中似乎能量也是量子化的,因为光子是一份一份的,能量也应该是一份一份的,但,事实上能量不具有量子化特征,因为光的频率γ没有最小值。不能说宇宙间的能量是量子化的。
    量子世界里的事物,一个有趣的表现是其存在或出现在某处的概率,犹如薛定谔的猫,是死了还是活着,在某个确定的时刻是个不确定事件,但这个概率又跟日常生活经验里的如抛出硬币落地后的正反面概率问题完全不同,量子世界里的概率,是两种状态如薛定谔的猫的生和死的叠加,或存在(用数字1表示)、不存在(用数字0表示)的叠加。
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 楼主| 发表于 2018-9-21 08:44:59 | 显示全部楼层
                                                                太阳光帆船
    光照在物体表面会产生压力,这个压力很小,通常情况下人们难以测量也难以觉察,在正午阳光最强且能直射地面的时候,一平米上光产生的压力还不足一只蚂蚁的重量那么大。这么小的力不足以推动物体使之运动,但在太空中,这个力产生的效果累加起来,就能使“飞船”达到很高的速度。太阳光帆船,就是这样设计和制造出来的。
    早在400年前,著名天文学家开普勒便设想建造不需要携带任何能源、仅仅依靠太阳光产生的推动力,就能驰骋太空的宇宙帆船。到了1924年,俄国航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基和他的同事弗里德里希.灿德尔,进一步提出建造太阳光帆船的具体构想:利用照射到很薄的巨大反射镜上的阳光产生的推力,让帆船获得宇宙速度在太空航行。
    第一艘太阳光帆船在2005年6月21日晚11时46分(北京时间22日凌晨4点46分)发射升空,它是由美国科学团体“行星协会”和私人传媒公司“宇宙演播室”共同出资,俄罗斯科学院.莫斯科拉沃奇金太空工业设计所联合研制的“宇宙1号”。“宇宙1号”太阳光帆船上还携带有一张CD光片,众多发明创造者都在这张CD光盘上留下自己的心里话,其中一位科学家的话是这样的:“我们的祖先很早就学会了制造帆船,从而利用自然界的风来弥补自己划桨力量的不足,在大海中远航。尽管我们现在无法得知前辈姓甚名谁,但是我们敬重他们的才智与勇气,是他们的开拓精神让我们也去探索,如何在茫茫大海中寻找远航的风帆,于是我们有了‘宇宙1号’这个成果”不幸的是,发射仅83秒便宣布发射失败。
    世界首艘成功依靠太阳光驱动的太空太阳光帆船是日本宇宙航空研究所开发机构的“伊卡洛斯”(IKAROS)号。“伊卡洛斯”的名称来自希腊神话,传说伊卡洛斯由于过于靠近太阳,导致身上黏结羽毛的蜡融化而坠落。“伊卡洛斯”号在2010年5月21日晨与日本金星探测器“晓”号一同升空,在离地球大约7.7×10的6次方公里的太空,光帆成功张开,内部的太阳能电池薄膜像帆船的帆一样展开。根据计算,在半年时间内,“伊卡洛斯”号能够加速到100m/s,按计划它将顺利抵达金星,并飞过金星,继续飞向太阳。
    微弱的太阳光压力之所以能够推动帆船产生如此之大的速度,是因为在太空中没有空气,不像在地球上的物体运动受到空气阻力,由牛顿第二定律可知,这个微小的动力产生的加速度尽管不大,但物体是加速运动的,一天的一天的加速、一年一年的加速,就可以将物体提升到难以想象的快速度,比如接近光速——光速是每秒30万公里,这样的速度是通常用固体燃料、液体燃料做推动剂的火箭、飞船或航天飞机,都无法达到的。
    美国人在2015年已经将一个冥王星探测器“新视野”成功送达,它所使用的推进剂就是普通的固体液体燃料,这些燃料燃烧完之后,尽管探测器已经获得了很高的速度,但远未靠近光速,它路途上用时接近10年的时间,“新视野”围绕冥王星只环绕飞行几个月,便进入了人类不能控制其行踪的浩淼宇宙深处。如果使用太阳光帆船,尽管起初它的速度不大,根据牛顿第二定律,其加速度a=F/m,其中,a是加速度,F是物体受到的太阳光压力,因为压力F不大,所以,其加速度也不大。但是,根据运动学的速度公式v=v0+at,随着时间t的增加,物体的速度将一直增加,成年累月增速的结果是,如果使用太阳光帆船,到达冥王星时的速度将达到光速的十分之一,即每秒3万公里,到达冥王星所用的时间也不会近10年那么长,而是只需要5年的时间。
   用太阳光推动飞船在宇宙航行,这真像是童话;然而,它却是真的,这是科学的力量。
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 楼主| 发表于 2018-9-21 15:40:08 | 显示全部楼层
                                                            激光飞船
    太阳光帆船由于其动力来源于太阳光,当在阳光强度大的宇宙空间,太阳光帆船的使用效果比较好,但进入太阳光比较弱的太空,如火星以外的星际空间,太阳光帆船的使用效果就比较差,甚至无法使用。为了能够在光强比较弱的太空也能够用上光帆船,人们提出了激光束作为推动力,这样由于激光拥有强大的推动力使得飞船得到很高的飞行速度。
    那么,提供推动力的激光器在哪儿呢?它可以放置在地球上,也可以放置在太空站,只要激光器能够正常运转,就可以连续、持久的提供动力,保证飞船不断的获得加速度,最终能够以极高的速度飞行——让飞船的飞行速度达到光波传播速度的三十分之一,即每秒飞行一万公里,这是有可能办到的,这样人们就可以花2~3小时到达火星。
    在飞船尾部装上某些特殊材料,比如特殊金属材料,让它在从地面或者太空轨道上的激光系统发射来的强激光束照射下发生烧蚀,蒸发形成往外喷射的高温蒸汽,便可以增加飞船前进的推动力;或者在推进器上安装光帆,在光帆上涂上一层特殊材料,让材料在激光束加热下喷射高温蒸气,也给飞船增加推动力。俄罗斯科学家就根据这个服原理设计了一种小型激光飞船,这只激光飞船在5kw激光束作用下产生1.5牛顿推动力,使飞船以3~4m/s的速度飞行。
    1998年和1999年,美国科学家,用激光将50g的飞船模型发送到垂直高度分别是4.73米和39米,水平滑行121.3米;2000年,又将直径为12.2cm、重50g的飞船模型发送到71米,在空中飞行12.7s,其意义不亚于当年莱特兄弟第一次驾驶飞机飞上天空。2001年,飞船模型的升空高度又进一步提高到150米。
    用激光作动力,不仅可以研制激光飞船,也可以用来研制运载火箭。1997年,在美国新墨西哥州的沙漠里,一支微型火箭拔地而起,上升到20多米的高度。这个实验在当时科学界引起很大的轰动,因为这只火箭与通常的化学染料火箭大不一样,比如在它的尾部没有焰火。这是第一支激光火箭。
    用激光作火箭的动力有很多优越性,其中之一是它的发射安全可靠性高。传统的化学染料运载火箭推进系统复杂,而且自身又携带大量高能推进剂,非常容易发生事故。1986年“挑战者”号航天飞机失事,导致7名宇航员全部遇难,2003年“哥伦比亚”号航天飞机在返回大气层时发生爆炸,又使7名宇航员全部遇难。而激光运载火箭的推进系统与能源分离,这就大大简化了推进系统结构和火箭控制系统,大大提高了火箭发射的完全性。
    目前,激光飞船和激光火箭,仍处于实验室阶段,还没有投入到商业应用;可以想见,一旦激光飞船和激光火箭投入到商业运用,那将是多么激动人心的时刻:人类认识和利用自然力的能力,又进了一大步,人们进入外层空间更加便捷了;而且,激光运载火箭能够大幅度降低发射费用,目前的技术估计,用激光运载火箭发射卫星进入近地轨道,发射费用大约每公斤有效载荷500美元,往后还有可能进一步减少到每公斤100美元,而传统的运载火箭——用化学燃料运载火箭发射卫星,一般没公斤有效载荷发射费都在一万美元以上,有的甚至高达三万美元。
    即便如此,用传统的火箭载人,也已经进入到商业时代了:美国2018年9月宣布,近期将用传统的运载火箭将一名游客发射到绕月轨道,这是人类第一次商业运作的太空之旅;如果激光运载火箭研制成功并投入商业,我们普通人到月球、到火星或金星或更远的星球,近距离的游玩一番,然后再安全返回,那将是多么激动人心啊。
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