陽光脫險

人們常說，萬物生長靠太陽。人們還常說，空氣、水、陽光，一樣也不可少。陽光不但能養育生命，它還是危難時刻的大救星！

1903年，一艘名叫“高斯號”的探險船，到達了南極洲。

南極和北極類似，半年為界：半年“冬天”，黑夜漫漫；半年“夏天”，太陽低徊。南極的風也特別大，刮的時間也很長。

“高斯號”到達南極時，半年的白天剛開始，一場大暴風過去之后，船被凍在冰上，船和冰像澆鑄在一起似的，一點兒動彈不得。

人們急了，船要走??！怎么辦？用炸藥把冰爆破開，用電鉆把冰鉆上孔打碎，用鋸子把冰鋸開……一切努力都無濟于事：這里的冰破開后，那里的冰還沒來得及破，原來破開處又結冰了。目標很明確，只有打開約1公里長、10米寬的航道，才能使船駛到沒結冰的海面上，脫離困境。有什么辦法能破冰通航呢？從船長到船員，都在為此冥思苦想。

正在大家一籌莫展的時候，忽然有一個船員說：“辦法有了！”他對船長說，“把船上的煤灰、煤渣、垃圾這些深黑色的東西都鋪到冰上，讓這不落的太陽來幫忙，這樣就能使冰化開?！?

這個辦法是否會奏效呢？船長半信半疑。但看著一天天減少的食品，只好試試。

全船的人都動員起來了，把能搜集到的煤灰、煤渣、垃圾、灰塵都鋪在船周圍的冰上，鋪在通向沒結冰的海水的那段冰上。好在當時的船都燒煤，不愁大量的煤灰、煤渣等黑色的物品。船員干得汗流浹背之后，煤灰、煤渣等鋪好了。

大家耐心地等待著。幾天過去之后，柔和低徊的斜陽，終于使煤灰等物品下面的冰層變薄、溶化……“高斯號”全體船員歡呼、雀躍，把那個船員抬起來，拋得老高……那么，又是誰給這位船員授破冰的“錦囊妙計”呢？是富蘭克林。原來，這位船員讀過《富蘭克林傳》，這本書里記載著美國著名的科學家本杰明·富蘭克林（1706～1790）首先發現的規律：太陽照射深色的物體比淺色的物體升溫快。不過，當時人們并不知道這一規律有什么實際應用，沒有引起更多的人的注意。而這個船員就是受這個知識的啟發，靈活運用這個知識而提出前述建議的?！陡惶m克林傳》是一本流傳久遠的名著，美籍華人楊振寧（1922～）在西南聯大求學時就讀過這本書。他對富蘭克林非常崇敬，以至1945年到了美國之后，便給自己取了Franklin或Frank的名字，其他人也叫他Frank。

那又為什么太陽照射深色物體升溫比淺色物體升溫快呢？這還得從物體的顏色說起。物體的顏色是由照射它的光線的顏色和它反射、吸收、通過光線的種類決定的，大致規律如下：

首先，照射光線是單色光時，如果被照射物體能反射全部光線，則物體呈該種光的顏色。例如，紅光照在一張紙上（這張紙如在陽光照射下呈白色），則這張紙呈紅色。因為這時只有紅色光供它反射，反射的紅光到達人眼，刺激相應視覺細胞形成紅色。

第二，照射光線是單色光時，如果被照射物體只能反射某一種光線，如反射光線與照射光線相同，則呈該種顏色，例如紅光照射只能反射紅光的物體呈紅色；如能反射的光線與照射光線不同，則呈黑色，例如紅光照射只能反射綠光的物體時呈黑色。

第三，照射光線是白色光（例如陽光）時，物體的顏色由物體反射、吸收、透過的光線決定：

反射某一種光線則呈該種光線的顏色，例如反射紅光，則呈紅色；反射全部光線則呈白色，例如白紙；吸收全部光線呈黑色，例如黑布；透過全部光線則物呈透明狀，不顯顏色，例如純凈、透明的水。

由以上規律我們可以得知，當南極并不溫暖的陽光照在白色的冰雪上時，幾乎所有的可見光（實際上還有熱效應比它們強的紅外線）都被冰雪反射，所以冰不會溶化。我們在夏天穿白色或淺色的襯衣，感覺涼爽些，道理與此相同。但當冰上鋪了黑色煤灰等物品后，太陽光幾乎全部被它吸收（實際上還吸收了更強的紅外線），吸收后的熱量傳給冰雪，冰雪便升溫溶化。

我們在冬天要穿黑色或其他深色的衣服而在夏天不穿這類衣服是一樣的道理；春天臟的雪比干凈的冰雪先溶化，也是這個道理。

一位讀過《富蘭克林傳》這本書的人，就有了這些知識，這充分證明“書籍是全世界的營養品”（莎士比亞）。知識能拯救一船人的生命，進而去完成既定任務，這充分證明了“知識是人們任何一條道路上的伙伴”（古拉米施維里）。難怪在17世紀，英國哲學家弗朗西斯·培根和意大利思想家康帕內拉（1568～1639）在相距遙遠的不同國度會幾乎同時發出一個聲音：“知識就是力量?！?

情人節里的“單身漢”

大自然真是一個和諧美妙的矛盾的統一體，有男就有女，有電子就有正電子，陰陽對立統一、雌雄對立統一，譜成了大自然動人的樂章。

每年2月14日的情人節Valentine"s Day又名圣馬倫丁節，起源于古羅馬。那一天，男的抽出寫有女的姓名的簽——愛情就這么定了。

1820年，丹麥物理學家奧斯特（1777～1851）發現了電流的磁效應，這就證明了人們此前猜測并篤信的“電磁同源”或“電磁相依”的假想。

后來，在1897年和1932年，英國物理學家JJ湯姆遜（1856～1940）和美國物理學家安德森分別發現了電子和正電子。電子和正電子不但可以結合在一起（形成一個光子，稱為γ光子），而且可以單獨存在。這對“情人”是可分可合的。

既然“電磁同源”，電和磁有某些相似性，那電荷有正負之分、磁極有南北之別，不就意味著磁極也可以像電荷那樣單獨存在嗎？

那么，磁極的“單身漢”——“磁單極子”是否的確存在呢？人們開始做實驗。他們將一根具有南北極的磁棒一分為二，奇怪的是，這時不是得到兩根各具有一個極的磁棒，而是得到兩根各有南北兩個極的磁棒！人們這時大聲質問蒼天：“‘電磁相似’”到哪里去了？自然界的對稱性到哪里去了？”有沒有只有一個極的磁棒？“磁單極子”到哪里找尋？

自從1931年英國物理學家狄拉克（1902～1984）預言磁也應有基本“磁荷”——“磁單極子”以來，人們尋找了50來年，然而仍一無所獲。不過人們卻執著依舊：既然有基本電荷，必然會有基本“磁荷”，找到“磁單極子”只是時間早晚的問題。

這一天似乎終于來到了。1982年2月14日，美國斯坦福大學的布萊斯·凱布雷拉在研究宇宙射線時，利用他精心設計的一個超導線圈發現了一個游蕩在宇宙空間的“磁單極子”。他還聲稱，平均每隔151天就能觀測到一次這種“磁單極子”。他的實驗原理是：在完全屏蔽外界磁場的鉛圓筒中，放置低溫超導線圈，平時在線圈內沒有電流，當“磁單極子”進入鉛筒，穿過線圈時，由于電磁感應原理，會產生感生電流。他由實驗所得的數據，跟用“磁單極子”理論計算的結果符合。次年5月消息公開后，人們覺得這太有意義和有趣了。它的趣味在于2月14日正好是西方一年一度的“情人節”，在應該“成雙成對”的情人節里竟發現一個“單身漢”，一時在科學界成為趣談。

不過，這件事很快就被人們淡化了。因為凱布雷拉沒有能再次觀察到那次實驗中的現象，換句話說，他的實驗沒有“可重復性”?？芍貜托允窃O計實驗必須遵守的一條基本原則，因為事物規律的一個表現，就是在相同的條件下能夠不斷重復出現。能重復出現說明實驗真實可靠，不能重復出現，說明實驗可能有誤。總之，他的發現不能被由他設計的實驗所證實。

又過了大約3年，英國倫敦帝國學院的科學家們宣稱，他們的探測器在經過1年的工作之后，在1985年3月獲得了一個“磁單極子”飄過時應有的訊號。不過，他們也認為，其他物理效應也可能在該儀器中出現類似信號。因此，還要做排除這些效應的試驗，方能確證有“磁單極子”。因而，這一實驗也不能確證“磁單極子”的存在。

不過，這兩起事件并不是僅有的似乎發現“磁單極子”的例子。早在1973年9月，美國加利福尼亞大學和休斯頓大學組成的聯合科研小組在做高能宇宙線實驗時，從照片中發現了一條游離度很大的徑跡。經過近兩年的分析研究，他們認為這就是“磁單極子”的軌跡。這一消息公布后，當時也引起了轟動，但也引起了非議。有的物理學家指出，原子序數接近96、速度為光速072倍的超重宇宙射線粒子也可能產生這種徑跡；還有人認為，這種徑跡也可能是重原子核在檢測器中受到其他原子核的作用后產生的?？傊?，上述徑跡不能證明“磁單極子”的存在。不過，這場“虛驚”也有益，它使前述凱布雷拉審慎地推遲1年多才發表其成果。

雖然這么多年沒能找到這位神秘的“單身漢”，但人們卻矢志不渝，從巖石中、從宇宙射線中、從加速器中去找尋。而且還把原來“磁單極子”的理論進行了更深入地探討。

那么，人們為什么要對這位推測在宇宙初期形成的、殘存數很少且游離在廣袤宇宙中的“單身漢”如此“鐘情”呢？這還得從頭說起。

理論上預言的“磁單極子”的磁感應強度，大約是電子磁場的137倍，而質量則為質子的200（一說1015）倍，可見其磁場是很強的。舉例來說，在距一個“磁單極子”1厘米處，磁場是3×10－12特斯拉，而目前探測磁場的精密度已超過10－15特斯拉（這就完全可以探測到它的磁場）；兩個“磁單極子”之間的作用力大約是一個電子和一個質子間引力的18 000倍！磁單極子還有一個有趣的性質，它受反磁物質排斥，與順磁物質相吸引——這與一般磁鐵并不排斥反磁物質有所不同。

如果發現“磁單極子”，這將在理論和實踐中都有重大的意義。

在理論上，麥克斯韋的電磁理論將要被修改，因為他的電磁理論方程組中有一個方程是反映自然界中不存在磁單極的；電荷的量子化將得到很好的解釋；人們將從新角度來審視各種守恒定律；電荷的磁荷組成的系統會出現新特性。此外，人們對太陽的兩個磁極竟在一年中有幾個月極性變得相同的現象，也許可以作出正確解釋。

在科研中，可用“磁單極子”建造比目前的加速器能量高得多的粒子加速器。例如，估計一座周長為兩米的這種加速器，其性能可能超過目前周長約900米的加速器。這顯然會給粒子物理的研究帶來許多好處。

在工業中，可用它造出小型、高效的電動機和發電機，而這些超小電機是人造假肢、人工智能夢寐以求的驅動設備。有人甚至設想，如果有辦法控制“磁單極子”的場強和極性，人們可以利用它在地球磁場中的勢能推動船舶航行，也可用它開發新的能源。

在醫學上，可以用它治療當今藥物不能完全治療或不能治療的疾病，例如癌癥。

總而言之，如果發現“磁單極子”，將會在物理基礎理論的發展上，甚至在整個科學、哲學上都有重大意義和影響，也將對技術的發展產生很大的影響。

大炮報廢和飛機失事

18世紀初，法國軍隊遇到了一樁傷透腦筋的怪事：一門嶄新的大炮用不了多久就得報廢。有的甚至在發射時炮筒就炸裂開來，造成炮毀人亡的慘劇。當然，這種怪事還出現在許多國家。

不過，更麻煩的事還在后頭：人們無法找出其中的原因。專家們被請來了，他們成百次地研究大炮的制造、材料，核對各種數據，改進設計，但仍然無濟于事。

事情被拖到19世紀中葉。一個名叫圣·克·德維爾的工程師被專門請到法國大炮制造廠“攻關”。經過多年研究之后，他和助手卡葉塔在1863年宣布了一個驚人的消息：氫是毀壞大炮的罪魁禍首！

他們的研究表明，在炮筒周圍存在氫或含氫氣體時，火藥爆炸時產生的高溫高壓，就會把氫擠進鋼材，與鋼中的碳作用，生成甲烷（化學式CH4）氣體，這些氣體在炮筒鋼材中形成細小的孔洞或裂縫，這就降低了炮筒的機械強度。當再次發炮時，這種現象會加重，于是炮筒就在反復發炮時炸裂而報廢。此外，氫是具有最小體積的原子，在發炮時高溫高壓的作用下，部分氫原子還會進入鋼材。這種原子狀態的氫具有很高的活性，它會隨意在鋼材中移動，使前述孔洞或裂縫“雪上加霜”。為了證實這一點，他們把氫密封在一個鋼制容器內加熱，里面的氫居然能穿過容器壁逃逸出來。又經過對被炸壞的炮筒的物理、化學分析，上述結論被完全證實。

世界各國的科學家反復驗證了他們的上述研究，確認了他們研究的正確性。于是把這種因氫引起金屬發脆的現象稱為“氫脆”。

后來人們發現，不但大炮會發生氫脆，其他許多東西也會發生氫脆。

經過1904～1909年德國化學家哈柏（1868～1934）對合成氨工藝條件的試驗和理論研究，以及博施（1874～1940）和他的合作者經過兩萬多次試驗，找到了較好的催化劑——含少量氧化鋁的鐵催化劑，合成氨工業得以發展。但仍然遇到了氫脆問題——承受高溫高壓的主要設備——合成塔，用不了多久就得更換。原來，生產氨的原料之一氫氣就在塔內與氮氣反應，當然會危及塔的安全。直到1913年解決了氫對碳鋼的“腐蝕”之后，第一座日產30噸的合成氨工廠才在這一年建成投產。

約1937年，英國皇家空軍的一架戰斗機不知何故，因發動機主軸斷裂而失事。專家經過詳細研究后發現，這也是氫脆引起的。

1978年5月，美國一架DC－10型巨型客機載著270多名乘客和機組人員，從芝加哥機場起飛。

不到1分鐘，發動機上的一只螺栓斷裂，飛機墜地焚毀，人員無一幸存，釀成航空史上罕見的慘劇。經研究發現，在那批螺栓表面都鍍了一層鎘，目的是防銹。殊不知在鍍鎘時螺栓鋼材已從電解液中分解出來的物質中吸收了大量的氫，最終因氫脆而斷裂。

此外，美國一家發電廠的一臺汽輪機主軸，也因氫脆在運行不到三個月就斷裂了。

當然，氫并不都是從外界滲入鋼材內部的。在鋼鐵的冶煉過程中，要加上各種輔助材料，例如石灰、螢石等，作爐襯的耐火材料等等，它們都可使鋼水中混入氫。因此，鋼材中的氫脆是一個普遍現象。

隨著對氫脆現象的深入研究，人們還發現銅也會發生氫脆。

引起嚴重關注的氫脆現已基本克服。人們大致采取了以下四條措施：一是用先進的真空冶煉和澆鑄，使氫氣從鋼水中溢出，以減少鋼中的含氫量。二是在鋼水中加入鈷、鉻、鎳等，阻止碳與氫在鋼中形成甲烷；三是用退火的方法，把鋼中的氫“驅逐出境”；四是在鋼制構件表面涂專門防鋼氫化的防腐劑，防止氫這一“入侵之敵”。

事物總是一分為二的。氫脆有時也有益處，我們還可將它派上用場哩！