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·面对万千物象世界，我们理解了多少？· 繁忙的生活之中，我们很少思考生活以外的事情，但是当我们有了安定的生活，有了闲暇以后，我们也许会思考我们身边以外的事情，思考万物的事理以及遥远的时空。 休息天了，忙碌工作了一周的人们来到清静的大自然怀抱，感受青山绿水的魅力和宽阔，欣赏草木的芳香和亭台楼阁的多姿多彩，聆听鸟叫蝉鸣的大自然音乐。美丽的风光和愉悦的心情，也许此时勾引起我们对于大自然世界的遐想： 上帝真伟大，创造了纷繁美丽又波澜壮阔的世界，同时创造了能够感知世界的生物和会思考的人类。天地有多大，为什么我们能够看到这个美丽的世界，是因为光波吗，光波又是什么？ 科学告诉我们光既是波动又是粒子，世界上的万物都会不同程度的反射太阳光，光线跑进我们的眼睛，所以我们就看见了外面纷繁美丽的世界。那么光线到底是什么？人们说它既是波又是粒子，你能不能想象这是怎样一幅物质运动图像？光是不是一个个旋转着的弹簧振子？弹簧的旋转和振动体现了光的波动性质，弹簧的移动体现了光波作为粒子的移动？既然光也是粒子，那么就产生另外一个问题，太阳光跑到海水里，海水温度升高了，热量增加了，能说这太阳光不是我们亲眼可见的热质？这是不是表明热质说不是完全错误？ 或许在科普书上或者地理书上听说了有火山这么回事，时代的进步，电视上我们也可能看到过火山地喷发的壮观景象，但是对于地球总体上是一个火海世界，我们毕竟缺乏直接的感性认识，毕竟地球的外表是一个温和凉快的世界。有兴趣我们可以来到五大连池旅游，我们眼前的火山口遗迹是真实的。地球内部真的是火海世界？如果地球真的是火海世界，那么多的热量来自何处？地球内部有无尽的煤炭资源在燃烧吗？如果是煤炭资源燃烧的热量维持了地球内部的火热世界，50 亿年来，就算整个地球都是煤炭构成也维持不了 50 亿年的长期燃烧。科学家也假设地球的火热世界来自于地球形成时候的摩擦生热，一直保持到今天。不过 Kelven 计算过，如果地球内部没有其它热量来源，原始的热量由于地球地壳的热传导热量损失，只够维持地球内部大约 3000 年的火热世界，然后地球成为固体构造的世界。也许我们希望地球是一个固体构造的世界而不是一个内部火海世界，当然这样有一个好处，地震可以不再发生，不过同时地球的造山运动也同样的停止了，那么高山终有一天风化为大海，我们的子孙将失去赖以生存的陆地。 科学的发展，我们关于地球内部的火热世界的热量来源有了一个重核放射性能量的解释。不过，事情并不解释得完全令人满意。地球内部真的有热量传到地壳外面来吗？陆地地壳地层的温度分布几乎与地壳地层的导热性能无关，似乎说明地球内部的火海世界并没有通过陆地地壳向外面传导着热量。地球内部存在放射性热源是可以相信的，地球的放射性元素作为比较重的粒子应该更多地存在于地球的内部是可以肯定的，如果放射性元素产生的热量不会散失，地球内部的火热世界将会越来越热。为了认识地球内部的火热世界以及传向地壳外面的热量是否符合地壳地层的传热分析，科学家们曾经通过卫星进行了地球热辐射观测。地球的辐射热量减去地球吸收太阳的热量，剩下的应该是地球内部火海世界传向地壳外面的热量。不过得到的结论是，地球的辐射热量减去地球吸收太阳的热量，只有地壳地层的传热分析得到的一半数值。科学的困难问题令人困惑，一时思考不清楚就暂时放一下吧，或许什么时候我们发现一本书已经揭开了这个问题的答案。 天气太热，开动摩托车出去兜个凉风吧。车开得越快越感到清风的凉爽和恰意，你也许会想，坐在火箭头上那该是一番什么样的凉快感觉，肯定是非常非常地凉快吧。不过事实的结论可能与人的美好愿望相反。你是说火箭头上兜的是热风？你也许会想，不是在开玩笑吧。唉，要不是工程事实迫使人们接受，谁愿意相信火箭头兜的是热风。如果你细心，你可能发现导弹头部有时候涂的是另外的颜色。其实那部分是一种耐高温的材料。这事说来的确有点传奇色彩。飞行器的头部高温现象最初是在飞机飞行实践中发现的，其超常温度的物理原因至今对于很多人仍然是个谜。早期的飞机工程师发现飞机头部的材料容易遭到破坏，最初不知道是什么原因，但是根据材料损坏的痕迹分析，象是高温融化的破坏痕迹。在排除了其它可能的破坏原因以后，工程师们只能将飞机头部材料容易破坏的原因推测为飞机头部存在超越设计理论计算的高温。飞机设计过程中热力计算有误吗？是不是错误的理论计算低估了飞机头部的温度？飞行工程师们重新复合了热力计算过程，发现设计计算并没有错误。如果飞机设计过程中热力计算没有错误，那么不明原因的高温应该是一个新的物理理论问题。不过，对于工程师而言，经常会碰到理论不能解决工程实践的具体问题，由于司空见惯，也就从不为此而感到惊奇。不过火箭头的超常高温至今对于科学而言，还是一个需要解决的物理问题。有兴趣的学者，可以在本书的第八篇与本书作者共同讨论火箭头高温问题和地热问题。 欣赏了美丽的大自然景色，思考了我们该思考的问题，然后又踏上了回家的旅途。火车上也许我们留意了服务员辛苦地将服务车一节一节车厢地推过去，服务员真辛苦，不过作为物理问题，服务员的辛苦做功该如何计算。假设服务员将服务车从最后一节车厢推到了最前一节车厢，此时火车也从杭州开到了上海，服务员地辛苦做功等于服务员所用的力乘以火车的长度。儿子问爸爸，老师说力作用在物体上所做的功等于力的大小乘以物体在力方向上移动的距离，为什么那个服务员所做的功应该乘以列车的长度而不是乘以杭州到上海的距离。不是在火车上看这个问题，在地面上的人看来，那辆服务车在服务员的推动下从杭州移动到了上海。当然为了体现服务员的辛苦，说服务员把服务车从杭州推到了上海是夸大的，服务车的确在服务员的推动下，从杭州推到了上海，不过是借用了火车自身的力量，服务员的辛苦长度，还是不会超出那辆列车的长度。在这里，本著作者通过事理分析告诉大家一个物理道理，力学问题的参照系选择不是任意的。 现在随着经济的发展，遇上了能源紧缺的时代，我们再次关注能量的问题。不过能量作为物理学概念到底是一个什么样的东西？其实自以为看透宇宙的科学一直来总是交给我们一些糊里糊涂的概念，说什么是功吧，功是能量变化的量度，什么是能量，能量是做功的能力，如果我们问科学先生，什么是功和能呢？哪位科学先生能够回答这个问题呢？关于什么是能量，我认为，一切能量本质上都是因为物质的运动，包括引力势能，你会相信吗？不过你如果你已经看过我的很多文章或者看了本书以后回过头来，你可能觉得这样的说法也有点道理。 一个晚上，儿子报告家里的一个开关坏了需要更换。小小开关坏了，懒得去请个电工师傅，我们自己修理吧。开关怎么会损坏了呢，是啊，别看那看不见的电流，它具有摧毁我们一个活生生的人的能力，它拥有巨大的能量呢。小小开关执行电路断开工作的时候，都经受着强大电流的冲击。不是吗，细心的人可以发现，小小开关在切断工作着的电路的时候，开关上会产生短暂的蓝光闪烁。光越蓝，说明温度越高，这短暂的蓝光是什么，学名叫电弧，俗名可以叫电火花。开关切断工作着的电路，为什么会在开关触片上产生蓝光闪烁？是电流冲击的表现吗，就象我们拿铁榔头砸在石头上碰出丝丝火星是一样的道理？也许真实的事理电火花真是电流对于开关的简单冲击，正象运动的火车撞上墙壁一样，无需太多的道理解释。开关经常受到电流的冲击，难怪小小开关有时会损坏。 简单原则上看问题，电子的流动确实应该很象列车的行驶，电学课程演示串联电感线圈的电路中的的小电珠是慢慢地亮起来，而断开电路的时候，小电珠会接着再亮一会儿，而不是立即熄灭，由此我们联想坐火车的经历：火车是慢慢地平稳地启动，在不知不觉之中，火车开始加速了，过了很长时间才飞快地跑起来。事物静着不愿意运动，运动以后又不愿意静止下来，这种物体试图保持原有运动状态的现象，物理学家们称事物的这种天性行为为惯性。我们要飞快的列车突然停止下来是不容易的，列车前方突然出现什么东西，或者是一位美丽可爱的美人，列车都会勇敢的冲杀过去，不会有丝毫的犹豫。列车要在一个地方停止下来，它远远的时候就开始切断动力，然后列车慢慢地停下来。带着电感线圈的电路上的电流流动和列车的运动是何等类似！那么电流的流动，其机理是不是就是类似列车那样的惯性呢？在这里，一切的电流自感应解释是多余的和繁琐的废话？！ 如果有机会，可以去参观潮汐发电厂，人类可以将地球的运动造成的潮汐转化为电力，电力可以驱动粒子达到接近光速的运动。实验显示，接近光速运动的粒子相互碰撞可以撞出更多的粒子，如果我们将潮汐电站的电力与粒子加速器相连，我们得到这样一个结论，地球可以牺牲自己的转动生产出物质！！ 地球的运动通过一系列的机构操作可以生产出物质，这的确是有违事理的事情。运动是物质的空间位置的变化，如何能够转化为物质自身？这如同认为女人进入梦乡就会生产小孩一样荒唐可笑。可是接近光速运动的粒子可以碰撞出更多的粒子，这是实验室每天可以重复的事实。不过从另一方面而言，我们毕竟没有亲眼看见接近光速的粒子可以撞出更多的粒子，不相信科学家的实验结论也可以理解。但是我们通过皮带传动带动发电机让我们家里的电灯发出光芒应该是我们亲眼所见的现象，如果我们相信光是一种物质的转移，那么我们还是可以得到皮带传动可以产生物质的结论！！ 那么，光是物质的转移吗？是的，古往今来我们的很多科学家是这样认识光的问题。不过这个问题历史上总是存在观点截然相反的两派科学家，有些科学家主张光是粒子，有些科学家主张光是波动，现在两派的观点都被现在的主流科学接受下来。人们认为波动和粒子都是光现象的一个侧面现象。科学家曾经计算过太阳 50 亿年来因为发光导致的太阳质量减少的数量，但是至于发光是不是物质的散失问题，现在的主流科学家们没有做出正面明确的回答。有些越是简单的问题，科学越是难以做出明确的答案。 也许你是一个电气工程师或者哪个学校的物理教师，有人问你，电是什么？你能很好地回答这个问题吗？也许你说，电是电子，那么电子又为什么会带电呢？我问过我们水利局的几个电气工程师，电是什么？他们除了告诉我电是电子以外，不能做出更多的解释。如果我们是一个教物理课的老师，碰上一个刨根问底的学生，如果我们只能作出电是电子的解释，会不会被刨根问底的学生弄得很尴尬呢？有人说过，当我们认识了一个事物不是这种事物的时候，我们算是认识到了这个事物的一个更深的层次。如果你是一个具有丰富想象力的人，我可以告诉你，你不妨可以认为电子不过是一个个微型的台风，引力气体中的一个个小漩涡。 一个世纪以前有一位科迷思考这样一个问题，我们都说运动电荷周围存在着磁场，静止电荷周围只有静电场。可是我们看来静止的电荷也是跟着地球运动，跟着地面转动的呀。这是不是表明跟着运动的电荷考察电荷看不到电荷周围的磁场？如果是这样，电荷周围到底存在不存在磁场，磁场到底是什么？我们可以不相信这位科迷后来所做的很多离奇的理论，但是不能不解决他提出的很多问题，比如巨大核能的物理事理、运动粒子寿命为什么能够延长、时钟如何走慢、行星轨迹为什么会异常，当然也包括什么样的运动产生了磁场，我们跟着电荷为什么又观测不到磁场，等等。 科学技术的飞速发展，不过科学不能解决的事情依然太多，也许科学的发展只是让我们能够发现更多的科学问题。如果你对于现代物理理论有所了解或者曾经拥有过兴趣，那么你可能知道二十世纪的科学可能越来越是一个乱麻似的问题世界。如果你是一个物理科迷，很容易走进这个物理问题世界，但是很少能够理清问题而后欣然走出这个乱麻世界。 作者愿与大家共同探讨科学的困惑问题。能够与大家讨论感兴趣的科学问题，是作者多年来的心愿。我也不可能把所有的科学基础问题解释的让每一个人满意，但是可以相信与大家一起能够找到更多的科学理解和更多的科学乐趣。 |