小本經(jīng)營的物理學(xué)

1、“小本經(jīng)營”的物理學(xué) “小本經(jīng)營”的物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué)研究基本上是一項(xiàng)“燒錢”的活，動輒需要高精尖的技術(shù)設(shè)備。不過，假如你以為離開“高精尖”就寸步難行，那就錯了。有時(shí)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(xué)的一名教授。他日常的工作是研究超導(dǎo)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(yuǎn)之前的事了；那個時(shí)候，不論制造磁場的設(shè)備，還是檢測水分子是否被磁化的設(shè)備，都很簡陋。而現(xiàn)在，這些技術(shù)都已有了長足的進(jìn)步，完全可以在新的條件

2、下再做一次檢驗(yàn)。一個周五的晚上，他把水倒入實(shí)驗(yàn)室里20特斯拉（強(qiáng)度是地磁場的40多萬倍）的超導(dǎo)電磁鐵中，奇跡發(fā)生了：水在超導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場中竟然懸浮了起來！這說明，在一個足夠強(qiáng)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(qiáng)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(xué)，他做出了一項(xiàng)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(dǎo)電、導(dǎo)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，

3、發(fā)現(xiàn)行不通。于是，他們轉(zhuǎn)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(yīng)用前景，海姆和他的同事獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎。乒乓球滑進(jìn)大型強(qiáng)子對撞機(jī)迄今世界上最強(qiáng)大的粒子粉碎機(jī)，是坐落于瑞士日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對撞機(jī)。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(fù)雜又超級精確的龐然大物。用于碰撞的質(zhì)子流在近乎真空的管道里穿行，而且其運(yùn)動軌跡被超導(dǎo)磁體的磁場彎曲成一個圓形。超導(dǎo)磁體則被冷卻到僅比絕對零度高一點(diǎn)點(diǎn)。但冷卻導(dǎo)致了金屬管道的收縮，如果所有管道都嚴(yán)絲合縫地連在一塊，很可能會導(dǎo)致斷裂。為了抵消這種影響，又能保證管道內(nèi)的真空度，一段跟

4、另一段管道之間用類似手風(fēng)琴上風(fēng)箱的結(jié)構(gòu)相連。但這又帶來一個新問題：當(dāng)成千上萬段管道以這種方式相連之后，有時(shí)會發(fā)現(xiàn)質(zhì)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(jìn)管道，給它一個初速度，它在沒有空氣阻力的真空管道內(nèi)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(dāng)它卡在哪里的時(shí)候，就說明故障發(fā)生在哪一段上。最初，科學(xué)家還打算在乒乓球上裝個能發(fā)出無線電波的電子標(biāo)簽，來標(biāo)注它在管道內(nèi)的位置，但最后證明連這都是多余的：當(dāng)球在管道內(nèi)運(yùn)動，被障礙卡住時(shí)，外面的人可以聽到輕微的“咔嚓”聲。于是，只要讓一人

5、騎上自行車，以跟乒乓球大致相等的速度追著球跑，當(dāng)聽到“咔嚓”聲時(shí)就停下來，于是就知道了故障之所在。現(xiàn)在，這個小技巧依然被歐洲核子中心的科學(xué)家用來檢測對撞機(jī)管道是否暢通。秒表探測引力波廣義相對論預(yù)言，當(dāng)兩顆致密的天體（如白矮星、中子星和黑洞），彼此繞著對方轉(zhuǎn)時(shí)，就會以輻射引力波的形式損失能量。因?yàn)樵趶V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?yàn)檫@些致密天體離我們通常都十分遙遠(yuǎn)，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(dá)到能探測從地球到太陽這么長的距離之內(nèi)，發(fā)

6、生僅相當(dāng)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(xué)望遠(yuǎn)鏡和一塊秒表即可。美國一位天文學(xué)家用手頭的這兩樣?xùn)|西就做到了這一點(diǎn)。他觀測的是由一對白矮星組成的雙星系統(tǒng)，其公轉(zhuǎn)周期是12.75秒。他發(fā)現(xiàn)，它們現(xiàn)在的公轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shí)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(nèi)，兩顆白矮星中一顆擋住

7、另一顆）時(shí)，星食持續(xù)的時(shí)間比起假設(shè)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(shí)間，然后跟最早的記錄做對比，就可以驗(yàn)證天體發(fā)射引力波帶來的一個效應(yīng)了。若探測到這個效應(yīng)，就可倒推回去證明引力波確實(shí)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(xué)家用乒乓球來檢測大型強(qiáng)子對撞機(jī)的管道是否通暢，而在美國國家費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，可溶的阿司匹林藥片經(jīng)常被用于檢測正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)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(yán)重故障。為了防止冷卻水泄漏，科學(xué)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(fù)責(zé)一個電開關(guān)。不漏水時(shí)，開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。漏水時(shí)，藥片被滴水溶化，導(dǎo)致與之相連的彈簧松開，開關(guān)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?yàn)橛衩咨乘菊承院芎茫詈絾T只需拿一團(tuán)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(xué)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(yàn)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(jī)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