芻議“小本經(jīng)營”的物理學
“小本經(jīng)營”的物理學
現(xiàn)代物理學研究基本上是一項“燒錢”的活，動輒需要高精尖的技術設備。不過，假如你以為離開“高精尖”就寸步難行，那就錯了。有時候，一個簡單樸素的小主意，也可以漂亮地解決一些大難題。
搞笑和不搞笑的諾貝爾獎
1996年，安德烈·海姆還是荷蘭一所大學的一名教授。他日常的工作是研究超導體的磁性，但他渴望去探索另一個更基本的問題：水能被磁化嗎？
教科書上告訴我們：不能。但海姆對這個答案并不滿意。他覺得這個問題即使前人已經(jīng)試過，也已是久遠之前的事了；那個時候，不論制造磁場的設備，還是檢測水分子是否被磁化的設備，都很簡陋。而現(xiàn)在，這些技術都已有了長足的進步，完全可以在新的條件下再做一次檢驗。
一個周五的晚上，他把水倒入實驗室里20特斯拉（強度是地磁場的40多萬倍）的超導電磁鐵中，奇跡發(fā)生了：水在超導體產(chǎn)生的磁場中竟然懸浮了起來！這說明，在一個足夠強的磁場中，水是可以被磁化的——你甚至可以用它來抵消重力。海姆后來演示了，在超強磁場中，如何讓一只小青蛙依靠其體液的磁性懸浮起來。在一片哄堂大笑中，他贏得了2000年的搞笑諾貝爾獎。
然而，笑到最后的卻是海姆。2002年，在另一個周五的晚上，這一次是在英國的曼切斯特大學，他做出了一項杰出的發(fā)現(xiàn)——石墨烯。這種材料是由單層的碳原子組成的，有著無可比擬的導電、導熱性能。起初，海姆和他的同事想用傳統(tǒng)辦法把一層或幾層石墨從一整塊石墨中磨下來，發(fā)現(xiàn)行不通。于是，他們轉而求助于普通的塑料膠帶，通過膠帶把石墨一層層剝下來，直至獲得單層的石墨烯。鑒于石墨烯的廣闊應用前景，海姆和他的同事獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。
乒乓球滑進大型強子對撞機
迄今世界上最強大的粒子粉碎機，是坐落于瑞士日內瓦的大型強子對撞機。2012年，它因發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子而舉世矚目。這是一架超級復雜又超級精確的龐然大物。用于碰撞的質子流在近乎真空的管道里穿行，而且其運動軌跡被超導磁體的磁場彎曲成一個圓形。超導磁體則被冷卻到僅比絕對零度高一點點。
但冷卻導致了金屬管道的收縮，如果所有管道都嚴絲合縫地連在一塊，很可能會導致斷裂。為了抵消這種影響，又能保證管道內的真空度，一段跟另一段管道之間用類似手風琴上風箱的結構相連。但這又帶來一個新問題：當成千上萬段管本文由畢業(yè)論文網(wǎng)http://www.78375555.com收集整理道以這種方式相連之后，有時會發(fā)現(xiàn)質子流在某段上被擋住過不去了。但如何知道故障發(fā)生在哪一段上呢？
經(jīng)過多少個日夜的苦思冥想之后，有人想到一個漂亮的解決辦法。一只乒乓球剛好可以塞進管道，給它一個初速度，它在沒有空氣阻力的真空管道內就會以平均幾米每秒的速度穩(wěn)定滑行；除非遇到障礙，才會停下來。當它卡在哪里的時候，就說明故障發(fā)生在哪一段上。
最初，科學家還打算在乒乓球上裝個能發(fā)出無線電波的電子標簽，來標注它在管道內的位置，但最后證明連這都是多余的：當球在管道內運動，被障礙卡住時，外面的人可以聽到輕微的“咔嚓”聲。于是，只要讓一人騎上自行車，以跟乒乓球大致相等的速度追著球跑，當聽到“咔嚓”聲時就停下來，于是就知道了故障之所在�，F(xiàn)在，這個小技巧依然被歐洲核子中心的科學家用來檢測對撞機管道是否暢通。
秒表探測引力波
廣義相對論預言，當兩顆致密的天體（如白矮星、中子星和黑洞），彼此繞著對方轉時，就會以輻射引力波的形式損失能量。因為在廣義相對論中，引力被解釋成空間的彎曲，所以引力波就是空間本身的波動。但因為這些致密天體離我們通常都十分遙遠，其發(fā)射的引力波傳播到地球上早已微乎其微，所以我們至今沒有直接探測到引力波。
在地球上，引力波探測器都非常龐大而精密。比如建于德國的一架引力波探測器，其精度達到能探測從地球到太陽這么長的距離之內，發(fā)生僅相當于一個原子長度的變化。目前在建的引力波探測器，甚至都動用了人造衛(wèi)星。
注意，這里說的是直接探測引力波。但我們也可以間接地探測呀。而且說起來難以置信，要想間接探測引力波呢，我們只要擁有一架光學望遠鏡和一塊秒表即可。
美國一位天文學家用手頭的這兩樣東西就做到了這一點。他觀測的是由一對白矮星組成的雙星系統(tǒng)，其公轉周期是12.75秒。他發(fā)現(xiàn)，它們現(xiàn)在的公轉周期比一年前快了1/4微秒。他把這歸因于白矮星輻射引力波，損失了能量，導致距離縮短，速度加快。
你或許會說，我手頭的秒表可沒法測1/4微秒這么短的時間呀。不要緊，這個微小變化會不斷積累的。比如，下一次星食（即在我們的視線范圍內，兩顆白矮星中一顆擋住另一顆）時，星食持續(xù)的時間比起假設它們從未輻射引力波，將縮短大約6秒鐘。
下一次星食，你只要用秒表測出星蝕持續(xù)的時間，然后跟最早的記錄做對比，就可以驗證天體發(fā)射引力波帶來的一個效應了。若探測到這個效應，就可倒推回去證明引力波確實存在。
藥片、玉米沙司和高樓
這類小主意舉不勝舉。前面我們已經(jīng)提到，物理學家用乒乓球來檢測大型強子對撞機的管道是否通暢，而在美國國家費米實驗室，可溶的阿司匹林藥片經(jīng)常被用于檢測正負質子對撞機管道是否漏水。
這些管道是為加速器提供冷卻水的，如果冷卻水不慎泄漏，會造成嚴重故障。為了防止冷卻水泄漏，科學家想到了一個好主意：在水管容易漏水的部位（比如接縫處）底下，放置一片阿司匹林。每一片阿司匹林負責一個電開關。不漏水時，開關處于關閉狀態(tài)。漏水時，藥片被滴水溶化，導致與之相連的彈簧松開，開關處于打開狀態(tài)，在事故未發(fā)生之前就自動
切斷電源。
在國際空間站，那里由于物體處于失重狀態(tài)，碎屑漂浮在空中。你猜宇航員是用什么東西來清理這些碎屑的嗎？玉米沙司！因為玉米沙司粘性很好，宇航員只需拿一團玉米沙司，去粘碎屑，碎屑就粘在了沙司上，不再四處漂游。
2013年，幾位法國科學家研制成功一種高度靈敏的重力測量儀。他們想找個地球引力會發(fā)生微妙變化的環(huán)境檢驗一下其性能。換成你，會找什么地方？太空？還是爬上珠穆朗瑪峰？哈哈，他們靈機一動，想出一個最省錢省事的辦法：爬到一座40米的高樓上。由于每個樓層離地心的距離不一樣，所以每個樓層的重力加速度就會有微妙的差別，這豈不就是理想的“地球引力發(fā)生微妙變化的環(huán)境”嗎？
這些例子告訴我們，盡管現(xiàn)代物理學研究離不開高精尖的復雜設備，但只要時時處處“勤于思而敏于行”，就可以讓人免患“設備依賴癥”。
