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第92章 文化教育篇(11)

从那以后,加速器的体积不断加大。到目前为止,建于日内瓦附近的Q6加速器称得上是世界第一。它的直径接近5公里,能发出30000000万电子伏的脉冲。中国人对这方面的研究也很感兴趣,在北京,近年开始建造超大规模的加速器。

世界各国对核的研究还在进行,研究的目的是寻找原子结构中一些难题的答案。在研究过程中,人们又发现了一些非常奇怪的粒子,它们的行为和作用尚不为人所知。但是,没有一种粒子是构成原子核、原子和宇宙的最小的不可再分的单位。

在科学探索的过程中,加速器会和以前一样发挥巨大的作用。

声纳的由来

声纳的作用是利用超声波在水中的传播和反射,完成导航和测距等任务。最初推动声纳研制的原动力是为了在海上作战,而不是为了考察海洋。

1914年9月22日,德国的U-9型潜艇击沉了3艘英国巡洋舰,英军死伤者达到1200余人。整个军事行动仅用了3个小时。面对德国潜艇的威胁,英国海军迫切需要一种能探测水下劲敌的办法。

早在1912年,理查森为了避免“泰坦尼克号”沉没的悲剧再度发生,就已经提出使用超声波,通过回声对水下的物体进行探测。可是,直到“一战”爆发前,这种想法依然没有变为现实。

在1915年的巴黎,郎之万和希洛斯基两位科学家再次提出使用超声波的问题。第二年,郎之万通过水下的超声波试验,很快探测到从100米远的铁板反射回来的声音。接下来的问题就是要想出一种方法来产生超声波脉冲,以及接收从水下物体反射回来的声音,接收回声的方法要使水下物体的位置能计算出来。

多年前,比埃尔·居里和雅克·居里第一次发现了压电效应。他们通过细心观察,知道石英在受到压缩时会产生一个很小的电流。反过来,向石英施加一个电流,石英就会产生轻微的膨胀现象。显然,石英和其他压电物质既能做声音的发射器,也能接收声音。于是,郎之万开始利用石英板进行研究工作。

几乎同时,正在为帕克斯顿港的皇家海军服务的波义尔教授,也进行了这种接收器的试验,并取得了圆满的成功,从而促进了有源声纳系统的发展。到1918年底,波义尔领导一个皇家海军研究小组,试验他们研制的声纳装置,试验地点是在一艘海军军舰上。

英国的这项代号为“阿斯迪克”的研究,在战争中进行严格的保密。当时,从事研究的人不能提到石英,要是必须提到它,就改说“阿斯迪克”。以至于直到20世纪50年代后期,当美国采用声纳来代替声音导航和距离修正时,英国还把这种潜艇探测装置称之为“阿斯迪克”。

可是,声纳的缺点很突出,就是海流以及含盐量、温度不同的各层海水,会阻挡脉冲信号并使它失真,这种水层正是核潜艇良好的隐蔽场所。为了克服这个致命缺点,后来科学家们又研制出可变深度声纳(VDS),可以由绞车沉到海水阻碍层以下,最大深度可达到150~200米左右。

鱼群探测器的由来

1926年,一艘法国轮船在纽芬兰海域航行。突然,船上用来探测海洋的回声探测仪上,收到了一种出现多次、非常反常的信号。后来,船上的人发现,当一群鳕鱼游近时,这种信号就显得更加强烈。他们认为,这种回声信号与成群的鳕鱼密切相关。

这一偶然的发现,使人们得到了这样的启示:声音如果与海洋里的生物群相遇,也能反射回来。这个启示成了人们研制鱼群探测器的根据。于是,许多科学家进入了相关的研究领域,包括研究声波在水中的传播特性、电能和声能的转换装置。

1934年,有人在探测鱼群时,运用了导航的电子音响探测仪。到了40年代,科学家们几经挫折,终于研究出专门用于捕鱼的鱼群探测器。

常见的鱼群探测器属于一种声纳探鱼仪。它的结构非常简单,有一个送波器,还有一个受波器。它的工作原理是:接通探测器的电源后,记录器就发出一个起始信号,使发射器产生一个超声频率的电脉冲信号,再向换能器传递;换能器把脉冲转换成相同频率的声脉冲,发射到海水之中,声脉冲与鱼群相遇后被反射回来;换能器接收到反射声波后,转换成同频率电脉冲信号,输入记录器,从而使鱼群的位置得到确切显示。

上世纪50年代以来,鱼群探测技术得到了迅速的发展。到60年代,探测深度已经达到了1700米,还出现了荧光屏的显示声纳。70~80年代,挪威人发明了CD环视声纳系统,如果利用船上的计程仪、罗经、声纳和计算机,荧光屏上就会出现一个以渔船为中心的捕捞过程的图像,包括渔场位置、方向、渔船和渔具的相对移动以及鱼群的洄游情况。

时至今日,渔民们在捕鱼时已经使用了彩色探鱼仪,这使得探鱼效果提高得很快。

激光器的由来

在20世纪最重大的科学技术成就之中,激光器确实值得大书特书。它以高亮度、高方向性、高单色性、高相干性的突出特点,在科技领域被人们广泛应用。

1916年,爱因斯坦写成了《关于辐射的量子理论》一文,并且公开发表。他在文章中第一次提出受激辐射的概念。这是一种放大了的相干光子,而两个光子的方向、频率、位相、偏振完全一致。

后来,人们对物质的微观结构有了更透彻的认识,微观粒子的能量分布、跳跃和光子辐射也有了更有说服力的证据,这就在客观上使爱因斯坦的辐射理论完善起来,为激光的产生铺平了道路,为激光器的发明准备了条件。

1954年,美国科学家汤斯和他的助手戈登、蔡格一起研究,发明了氨分子束微波激射器。它能够产生1.25厘米波长的微波,虽然只有很小的功率,却开了利用分子体系作为微波辐射器的先河。这件事在激光器的发明史上影响深远。

1960年7月,年轻的美国科学家梅曼制成了全球第一台激光器——红宝石激光器。这标志着一种崭新光源的出现。激光器与半导体、原子能、计算机一样,被人们称为20世纪的四大发明之一。

激光是一种神奇无比的光源。与电光源相比,它的优点相当突出。

首先,激光的亮度更高,是太阳的1亿倍。如果从地球上发射一束激光,能毫不费劲地到达38万公里之外的月球。

其次,激光的色度更纯,单色性与氪灯发射的红色光相比,要高出10万倍。

而且,激光的光束更直,它只朝一个方向发射光束,属于平行光。用通俗的话说,激光既不打弯,又能使极远的地方接收到光束。

激光器在工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事诸多方面,得到了的普遍应用,导致许多领域发生了变革。

发电机的由来

提起发电机的发明,就不能不提科学史上的两个巨人,一位是法拉第,另一位是西门子。

第一台发电机是西门子制造出来的,电磁学理论是这台机器的理论基础。而享有盛誉的英国物理学家法拉第,则奠定了电磁学的实验基础。

1820年,奥斯特进行了多次试验,发现了电流对磁针能产生作用。法拉第听到这个信息,敏锐地认识到它的重要性。1821年,他在日记中写下了一个重要的科学设想:用磁生电。

之后的一天他突然发现,一个通电线圈产生的磁力,尽管不能在另一个线圈中导致电流产生,可是,当通电线圈的电流刚接通,或是掐断的一刹那,另一个线圈中的电流指针能产生微小的偏转,则是毫无疑问的。

他抓住这个发现进行了好几次试验,终于得出一个结论:如果磁作用力发生变化,那么另一个线圈中就会产生电流。

他发现线圈在磁场运动中能够产生电流,从而明白了制造发电机的原理。按照这个原理,最初制造的几种发电机,其所需的磁场是用永久磁铁来提供的,用蒸汽机带动线圈转动。但这种发电机的磁场不够强,发电效率不高,所以要想推广开来也很困难。

1866年,那时德国的西门子还是一位工程师,他发明了一台发电机。这台机器能够提供强有力的电流,从而使发电机这种机器由实验中的样品,转变为用于现实生活中的产品。

以前,西门子曾在军队里当过炮兵。那时的他就对科学研究非常着迷,对新发展起来的电报表现出了异乎寻常的兴趣。1847年,他组建了以自己名字命名的公司,开始生产电报设备,建立电报线路。这家公司后来成为跨国集团。

为了解决德国电镀工业对电力的需要,1866年,公司实验室成功地研制出一项产品,即用电磁铁代替永久磁铁的自激磁场式发电机。它的发电效率高,发电容量大,为现代电力工业打下了牢固的基础。

发电机问世以后,发电厂一座座建立起来,输电网也出现了。发电机如同光明之源,它的问世,标志着人类已经步入电气化时代。

电动机的由来

早在1821年,法拉第就相信,通过一些科学手段,电力可以转变为旋转运动。可是,最初问世的电动机,其作用不过是供人玩乐罢了。1835年,美国的一个铁匠达文波特,制成了全球第一台实用电动机。这台机器成为后世电动机制造业的蓝本。

从原理上说,让电流从金属线圈通过,形成电磁铁,就可以产生供人利用的强力磁场。电磁铁与普通磁铁(永久磁铁)一样有南北极,两者的差别是电磁铁的南北极能够互换,只倒转电流方向就可以了。

如果在两极之间悬一个指南针,它会先指向一个方向,电流如果发生逆转,它又会指向相反方向。一个简单的电动机制造起来非常容易,只是等到指南针转了半圈,就要迅速地把电磁铁线圈中的电流逆转。这样一来,指南针的旋转就会得到延续了。

1839年,在电动机的体积和马力加大之后,这种机器又用来制造驱动力,使一台印刷机运转。该印刷机印刷的第一份资料,是美国最早的电学期刊《电磁和机械情报》。可是,由于电动机的电力是从电池中得到的,成本太高,所以推广起来太困难了。

1873年,一个叫格兰姆的比利时工程师创制了第一个直流发电机。在设计上,它与电动机相似的地方很多。同年,这一发明应用于他在巴黎开办的工厂中。

1885年,美国出现了一种全新的电动机——感应电动机。它的发明者是台斯拉。这位科学家曾因应用法拉第所发现的电磁感应现象而出了名。

1902年,一个名叫丹尼尔森的瑞典工程师,将自己的构想向同行们宣布:用一个安装在轴上的磁铁,代替感应电动机的非磁性转子。如果这样做了,由电磁线圈产生的旋转磁场就会带动转子转动,不用再利用感应电流了。

这种电动机的转速,与磁场的转速毫无二致,这就是同步电动机。单从功率来比较,它所产生的功率比感应电动机要小一些。但它的转速非常精确,装在钟表、电唱机和磁带录音机里尤为合适。