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第9章 物理学科问题(1)

最早的物理学解释

早期的物理学家们,由于所处时代的限制,大都从某个方面提出了自己对物理学的看法。现在看来,这些看法有些是片面的,也有些是可笑的。但是,他们对物理科学的解释,在当时却有着一定的积极意义。下面,我们就来看一下,早期的物理学家们对物理学科的解释:

夏天的一个傍晚,大雨稍歇,往东看,在一瞬间,一个弧形的半明的彩虹架在暗云中间,雨脚在那方一道道地下垂着,像是彩虹边倒挂的匹练。那彩虹颜色鲜艳,紫色特别显著,只是长虹一端残缺不全。站在教堂门前的信徒们,望着雨过复晴的晚空,喃喃祈祷着,手在心口上不住地画着“十”字。

原来这些信徒们看到彩虹出现,认为是上天给他们带来好运,但又看到彩虹残缺不全,以为是上天有意要惩罚有罪的人们。于是他们便祷告着。其实,这是最常见的一种物理现象。古希腊著名学者阿那克西曼德说:“风是空气的一种流动,因为空气的最轻和最湿部分为太阳所发动或膨胀起来。当太阳的光线投射在极浓厚的云上时,便产生了五光十色的七彩虹。”这说明阿那克西曼德已经知道彩虹产生的原因,它只是一种普通的现象,而不是上天创造用来奖赏或惩罚人类的。

就整个物理世界来说,古希腊人有过许多精彩的议论,他们对具体的物理现象也做过不少认真的研究,取得了一些成果。如泰勒斯说到磁石吸铁,他从他的哲学出发,认为那是因为这块磁石有灵魂。但是琥珀摩擦能够产生静电的这一功劳应该归功于他。自然科学家恩培多克勒似乎很善于观察,也富于想象力,他认为自然界是不会有虚空存在的。他有一次在做试验中发现,上端密闭的管子插入水银中,水银不能进入管子的情形,他说这是因为管子中空气的重力堵住了想进入的水银。他说:“听觉是外面的声音造成的,当语言所推动的空气在耳朵内鸣响时,便产生了听觉。”“空气振动时,便打击坚硬的部分,产生出一个声音来。”他还认为,光是发光体的一种极为精细的流出物,它通过细微的孔道进入我们的眼睛,我们便能看见,光的传播是需要时间的,在一定的时间内才能到达我们的眼睛。对于磁性,他也用类似的想法来解释。他说,铁块被磁石吸住,是由于铁块中的某种流出物大量流向磁石中细微的孔道造成两者相吸的。

而古希腊的“第一个百科全书式的学者”德谟克利特对物理现象的解释则带有更多的猜测性。如关于光,他说那是“从一切物体上都经常发射出一种波流”,“在眼睛和对象之间的空气由于眼睛和对象的作用而被压紧了。就在眼睛上面印下了印子”,这就是视觉。他还说:“颜色并不是本身存在的,物体的颜色是由于(原子)方向的变化。”关于磁现象,他认为“磁石和铁是相类似的原子构成的,但磁石的原子则更精细。磁石比铁较松并且有更多的空隙。”因为运动是永远趋向相类似的东西的,铁的原子向外扩散而流向磁石,铁也就被拖向磁石了。恩培多克勒和德谟克利特对磁现象的解释虽仍远离科学,不过比起泰勒斯的解释,已是前进一大步了。

亚里士多德是古希腊第一个最认真的研究物理现象的人。他的《物理学》也是世界上最早的物理学专著,尽管那时物理学的含义与现代的说法不尽相同。亚里士多德着力研究的是力学方面的问题。我们已经知道他认为月亮以下的世界的物体,都有重者向下轻者向上的自然运动,要改变它们的自然状态,就得有外力。但外力一消失,物体就立即恢复它们的自然状态,即或者静止不动于其自然位置,或者垂直上升、下落以恢复其自然位置。亚里士多德反对虚空观念,认为物体在空间的运动也就是在某种介质中运动。物体的运动与作用于其上的力成正比,而与它所受到的阻力成反比。他把外力的作用与物体的“非自然”运动这样联系在一起,那么他又如何解释抛物体在离开抛物者以后仍能运动一段距离呢?他说,物体刚离开抛物者那个时刻,由于它正向前冲而排开部分介质,就在它的后面造成一个虚空,自然界是不允许虚空存在的,周围的介质便立即填补这个虚空,于是这些介质又对物体形成了一个向前的推力,物体因而得以继续前进。但当该物体所受的阻力与推力相等时,它的非自然运动就停止了,抛物体就立即恢复它的自然状态了。

亚里士多德似乎可以自圆其说,但他的认识与实际相去甚远。对于自由落体,他认为较重的物体下落速度要快一些,理由是它冲开介质的力比较大。当然,这种认识也是错误的。

任何事情都应该一分为二地来看待,亚里士多德的错误认识也曾在很长的时期之内严重地束缚着人们的思想。不过,他的工作终究是人类对机械运动所作的最早的认真的分析,在这个意义上来说,他的历史功绩也是不应轻易抹杀的。

到月球开采氦-3的计划

地球能源不足成为全人类关注的问题,去月球开采似乎成为很多国家的共同选择。俄罗斯“能源”火箭公司就计划组织到月球去大量开采高效率的氦-3。“能源”火箭公司总裁尼古拉·谢瓦斯季亚诺夫说,开采工作将在“快船号”载人运货飞船开始定期飞行后进行,而目前快船号飞船正在研制中。

他指出,在月球上开采新型的用于热核能源的高效率燃料氦-3并将其运回地面并不是空想,而是人类在不远的将来实际的需要。他补充说,“就是依据初步的估算,这一生意也很快将成为高收益的行业,只需要及时的组织并在该领域成为第一批领头人”。

月球的氦-3可能在未来成为天然气、石油之后的又一能源,而天然气和石油的储量在地球上由于高速度的开采而不断缩减。在月球上,氦-3的储量非常丰富,而且月球是离地球最近的地方。

谢瓦斯季亚诺夫曾表示,工业开发月球将有助于解决地球能源资源不足的问题。此外,俄罗斯能源火箭公司还建议在月球计划框架内将有害的耗电量大的生产转移到月球上,并在那里进行很少需要重力的生产。

“能源”火箭公司的月球计划第一阶段计划将在2010—2015年实施,届时将使用联盟系列飞船、联盟-FG号和质子号运载火箭。

谢瓦斯季亚诺夫确认,第二阶段(2015—2020年)的实施过程中计划创建经常性的月球交通体系,而第三阶段(2020—2025年)计划在月球上创建常设基地。

如果这个计划顺利实现,那么,我们就可以利用月球上的能源来为人类造福,对人类来说,这是一件多么值得期待的事啊。

地磁场的神秘影响

地磁场对人类有着重要的影响,地磁场的变化能影响无线电波的传播。当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时,远距离通讯将受到严重影响,甚至中断。假如没有地磁场,从太阳发出的强大的带电粒子流(通常叫太阳风),就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下,地球的大气成分可能不是现在的样子,生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。毫无疑问地说,地磁场对动物、人类都有着极为重要的影响。

地磁场对动物有重大的影响,我们知道,信鸽辨别方向的能力特别强,即使把上海的信鸽带到新疆放飞,它仍然会飞回上海。路途中即使碰到狂风暴雨,它也不会迷失方向。为什么它有这么大的辨别方向的本领呢?科学家对信鸽进行研究,做了这样一个有趣的实验。把磁棒和铜棒分别绑在一些鸽子身上,然后运到很远的地方放飞,选择在阴天。结果很有趣,绑着铜棒的鸽子,飞行方向正确,都安全返回主人家。而那些绑着磁棒的鸽子却满天飞,失去了方向。这个实验说明鸽子能利用地磁场导向。绑了磁棒的鸽子,识别地磁场的本领受到磁棒的干扰,自然也就迷失方向。

对候鸟迁徙现象进行研究,发现候鸟体内有“雷达”,它能够根据自己的电磁场同地磁场的相互作用来正确定向。为了证明这一点,秋天,科学家把候鸟关进笼子里,用布罩起来,不让它们看到外面的世界。这些鸟却固执地聚集在笼子的南部,准备向南飞。后来,把笼子放在一种磁场装置里,这些鸟儿就失去了方向,在笼子里到处都有。可见地磁场对它们是多么重要了。不光鸟类,就是一些昆虫,甚至细菌也会对地磁场有感受之能力。有一种细菌,总是一头朝南,一头朝北。从不在东西方向上“躺”着。这就充分说明它也有感知地磁场的本领。有的鱼儿,把它放进陌生的静水池里,它也是朝着南北方向游动。有种白蚁能在南北方向上建巢,因此称这种白蚁为“罗盘白蚁”。

医学家发现,人类的某些疾病与地球的磁纬度也有一定的关系。而且发病率与地磁的变化有关。在一些地磁异常的地方,人们患高血压、风湿性关节炎和精神病的人数,要比地磁场正常的地区高120%~160%。这充分说明,地磁场与某些疾病相关。

那么,地磁场是如何影响人体健康的呢?解释有多种,但都有点儿牵强。一种认为人体的各部分都有水,水在地磁场中会发生物理化学变化。这样,当地磁场变化后,自然影响到水,也就使人体功能发生变化,引起某些疾病。有的学者认为,人的各种器官也是有磁场的,即使地磁场发生微弱变化,也引起头脑、血液等周围的磁场发生变化,导致机体功能受影响,功能失常,疾病出现。也有人认为,人是处在某种生态环境之中的,因此人的每个器官都带有当地地磁生态的烙印。当地磁变化后,人就会出现生理反常。

可是,地磁场到底如何影响人体的,特别是对大脑活动的影响,生理活动的影响,尚没有科学的解释。这将有待新世纪的人们去探索。不过,我们可以利用已有的知识,为人类造福。

宇宙是不断循环的

科学家提出了循环宇宙模型,该理论认为,宇宙将永远不会结束,而是处于从生长到消亡的循环过程中。大爆炸既不是宇宙的起点也非终点,而只是宇宙不同阶段的“过渡”。

现有基本理论认为,大爆炸是宇宙的开端,但对于宇宙的最终结局并无定论。美国普林斯顿大学的天文学教授保罗·斯坦哈特与英国剑桥大学教授尼尔·图罗克共同提出了新的观点。他们指出,宇宙是处于不断循环的过程中。如今的宇宙是在上个宇宙的尘埃中诞生。“大爆炸并非空间和时间的起点,而只是宇宙的两个不同阶段中间的过渡。”

科学家介绍说,他们的这一新理论的框架来自于弦论。弦论的基本内容是,宇宙物质已知是由各种极小粒子组成,但因为人类受到物理实验精度的限制,实际上并无法测定出这些粒子是否真的是无限小的点。科学家假设这些粒子是极小的弦(曲线),然后据此描述基本物理定律。弦论能解释其他基本理论无法解释的物理现象,被认为具有广阔的发展前景。此外,还有理论认为,人类所在的宇宙之外还有另外一个无限大的平行宇宙。这两个宇宙在多重维度(我们所处的空间只有四个维度)中互相区分开来。

两位科学家根据上述现有理论计算出,在这两个宇宙之间有一个力场,可以将两个宇宙呈周期性地互相吸引、尔后又再排斥开来,如同人们鼓掌时两只手的动作一般。

新理论认为,当两个宇宙互相碰撞的时候,第五维度暂时消失,这时就会发生一次大爆炸。新的物质世界将在原有消散的物质尘埃中被重新“创造”出来。关于宇宙爆炸与再生的理论实际上至今仍没有统一的观点,争论仍在继续。

科学是在争论、求证中发展的,任何时候,我们都不要轻易抛弃自己的观点。去怀疑它,求证它吧。

全球卫星定位系统如何定位

GPS是英文同步测距全球定位系统的简称,也就是人们现在常说的全球卫星定位系统,它是美国继“阿波罗”登月计划和航天飞机之后的第三大航天工程。那么,全球卫星定位系统如何定位呢?

全球卫星定位系统由空间部分、地面部分和用户部分3大部分组成。空间部分是全球卫星定位系统的主体,它由24颗卫星(其中21颗是工作卫星,3颗是备用卫星)在距地球表面20183千米的轨道上运行。每颗卫星都不断向地面发出表示时间和位置的信号,这些信号覆盖区域相当于地球表面积的三分之一。地面部分由一个中心控制站、5个地面监控站和3个数据发送站组成。地面部分的主要作用是监测、控制导航卫星的工作。全球卫星定位系统的用户要有一个卫星定位系统接收器,它的体积只有香烟盒大小,重500克左右,携带方便,可以用很小的天线随时接收4个以上卫星传送过来的信号,通过这些卫星提供的经度、纬度和海拔高度3个数据,用户就可以精确地知道自己处所的位置、时间和行进速度,它的定位精度可达一二十米。

全球卫星定位系统是一个以空间为基地的导航系统,可以在全球范围内,全天候地为海上、陆地、空中和空间的各类用户连续不断地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息,是目前世界上精确度最高的一种太空无线电导航系统。海湾战争中,参加沙漠风暴行动的美国等多国部队在一望无垠的伊拉克沙漠里都使用了全球卫星定位系统,随时随地确定自己的方位。从引导空战、制导导弹到传送信息,全球卫星定位系统无所不能,为各军兵种之间的相互协调和准确无误地打击目标提供了保证。

全球卫星定位系统本来主要用于军事遥测定位,但现在已提供民用服务,慢慢的,人们出门旅行的时候,也会配用上这种新型的“指南针”了。

全球定位系统真的走入寻常百姓家,我们就会省却很多烦恼。希望这一天早点到来。

神奇的磁应用

磁不仅对人类和动物有着巨大的影响,还可以应用于医学、地质学、军事领域等各个方面。如果没有磁性材料,整个世界将无法想象。

大家都知道,如果把鸽子放飞到数百公里以外,它们会自动归巢。鸽子为什么有这么好的认家本领呢?原来,鸽子对地球的磁场很敏感,它们可以利用地球磁场的变化找到自己的家。如果在鸽子的头部绑上一块磁铁,鸽子就会迷航。如果鸽子飞过无线电发射塔,强大的电磁波干扰也会使它们迷失方向。

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