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第11章 物理之谜(1)

神秘物质穿越身体不留痕迹之谜

据北京青年报道,有一种物质可自由穿过你的大脑而不留下任何痕迹。它也可以穿越大地、穿越墙壁、穿越我们所见到的任何物质。意大利和中国的一个科学合作小组经过8年实验,最近在国际权威学术杂志《物理学通报》及《纽约时报》上公布了实验的初步结果,引起了学术界的轰动。

实验的初步结果是,已经探测到了这种物质粒子偶尔碰撞碘化纲晶体中的原子核时发出的微弱光线,并据此推算这种物质很重,它的粒子重量至少是质子的50倍。美国物理学家弗兰克说,如果这一发现属实,无疑具有诺贝尔奖水平的。引起轰动的这篇论文的8名作者中有一半来自中科院高级物理所。戴长江研究员是中方的首席科学家。现在他正在北京准备用改进的方法独立做实验;以进一步检验在意大利得出的实验结果。

记者在实验室见到了戴长江。他刚刚从一家工厂拿到了用于捕捉不明物质粒子的氟化纲晶体样品。那是两段直径约2—3厘米、长约10百米的晶莹透明的圆柱体。正式做实验的晶体每根长40厘米、直径10厘米。用250公斤做成的数十根晶体棒搭成一个边长为40厘米的正方体,然后把它放到山洞中。戴长江目前正在寻找这个山洞。不久前他看了航空博物馆的山洞,发现岩石厚度只有100米,不符合要求。他说符合要求的山洞岩石厚度至少要500米。

戴长江说,最近的天文观测表明,宇宙中的这种不明物质质量占宇宙总质量的至少20%。

这种粒子的存在将非常有力地支持宇宙大爆炸理论——所有的星星正在离我们远去,原因是宇宙正处在爆炸的状态中。

此外,它还支持了超对称粒子模型——物质有“阴阳两界”,而且两界中的物质一一对应,我们已知的世界是由正物质组成的,但是还有与它对应的反物质……

奇异原子核之谜

原子很小,直径只有一百亿分之一米。在1根头发丝的端面上,能排一万亿个原子。原子虽小,其内却并非毫无结构,而是一个丰富多彩的“世界”:一个直径为一千万亿分之一米的核(即核的直径为原子的十万分之一)和众多(至少1个)绕核运动的电子。若将原子放大10(上标21)(即10万亿亿)倍,它就像我们的太阳系了,太阳是核,众多绕太阳运动的行星是电子。即便是核,其内也是一个色彩斑斓的世界:由众多状态各异的质子和中子组成。这些质子和中子以三百多种不同的组合方式,构成一个天然庞大的原子核家族,家族“人员”达三百多种。自1934年以来,人工还制造了二千四百多种核(元)素,这更壮展了原子核家庭的气势。但这些人造核素“命运”多舛、寿命短,不稳定,叫做奇异原子核。

“火中取栗”之谜

成语“火中取栗”源出于这样一个故事:狡猾的狐狸,骗猴子为它取出火中的栗子。结果猴子不但没有取出栗子,反而把脚上的毛烧掉了。这则故事也说明,人们都认为:直接用手从火中取出东西是一件不可能的事。

然而,发生在人们生活中的某些现象,却要比“火中取栗”惊险很多。有消息报导,早些时候,在国外狂欢节的余兴节目中,有些大胆的表演者当场将一个潮湿的手指伸进熔化了的铜液中,尽管他以极快的速度将手从熔铜中缩回,但是也使得周围的观众心惊肉跳,目瞪口呆。更有甚者,一本《吉尼斯达书:世界记录》中,一些更大胆的表演者,竟然赤着脚描述了在650℃的燃烧着的一长堆木炭上步行了约7.5米的事迹。你可能认为表演者的脚底上可能事先已经抹了一种高级的绝热防护剂吧!

实际上这是一种物理现象有,可以这样解释:当一个潮湿的手指迅速插入高温熔液中时,手指头上的水突然受热汽化,在手指周围形成一个很薄的蒸汽层。气体是热的不良导体,在一段短暂的时间内,它可以起到绝热防护作用。不过,潮湿的手指头伸进深化的铜液后,得赶快缩回来。因为时间一长,蒸汽层消失,防护作用失败,后果就不堪设想了。读者可不要去做这种冒险的尝试。

关于“蹈火”的表演,最关键的是表演者脚底上要有足够的汗水。当脚底上的某些部位与炭火接触时,由于汗水的迅速汽化,脚底和木炭之间形成的蒸汽膜起到了瞬时保护作用。步与步之间流出的汗水补偿了部分水分。如果脚底上沾满了厚厚的煤炭或者长着硬茧,也许还能多走上几步。如果跑步,会使双脚反而踩送炭火而使保护层失败。

热传递是通过传导、对流和辐射三种途径进行的。上述两种惊险的表演主要利用了气体是热的不良导体的这一特性,免除了人体被烫伤的危险。热传递的特性已广泛地应用于生产实践中,保温瓶就是一个突出的例子。在生产中,有时为了让工人能够在温度较高的环境之下,连续工作比较长的时间,安全地维修机器设备,特制了一套厚厚的石棉衣服,再在外面喷涂了一层光亮的铝膜。工人穿了这种衣服就能在高温环境下工作一段较长的时间,“火中取栗”也就是可能的事了。

舰炮在风浪中能打中目标之谜

海军战士,以海为家,他们不仅要战胜晕船,适应海上生活,还在摇摆的舰艇上,稳、准、狠地打击敌人,完成党和祖国人民交给的光荣战斗任务。

炮要打得准,首先要瞄得准。陆地火炮炮架平稳,瞄准手从瞄准具中,比较容易对准和跟踪目标。而舰艇在风浪中摇摆,舰炮的炮架也跟踪舰艇摇摆,怎样打中目标呢?

原来,在舰炮的两边有两个瞄准具,还有两个可以上下或左右转动炮身的瞄准机。舰炮打得准不准,主要靠两个瞄准手,不管舰艇怎样摇摆,随时转动瞄准机,从瞄准具中紧紧盯住敌舰,及时地击发。

在现在舰艇上,通常都装备有能够自动计算和控制舰炮瞄准射击的仪器,这种仪器叫做舰炮射击指挥仪。射击指挥仪由炮瞄雷达、计算机和带动火炮转动的执行机构等组成,有了它,舰炮就可以自动瞄准了。人们把炮瞄雷达的在线装在舰艇的“稳定瞄准部位”上,不致受风浪的影响,始终保持水平。

这是为什么呢?

原来,射击指挥仪系统中有一个水平仪,它主要由两对电动高速转子组成。一对转子的转轴与舰艏艉线平行;另一对转轴指向舰艇正横(与舰艏艉线垂直)的方向,都是水平的状态。当转子高速旋转时,水平仪的底座虽然跟随舰艇摇摆,但转轴依然保持原来的水平指向。它随时可以测出舰艇横摇和纵摇的大小。经过电信号的传送,控制“稳定瞄准部位”保持水平稳定。只要雷达一发现目标,不管风吹浪打,都能紧紧“咬住”目标,并自动跟踪瞄准。再通过传动系统,不断地将测得的目标坐标送到射击指挥仪的计算机,计算机可以根据各种仪器传来的我舰舰向、航速和水平仪送来的摇摆角,进行摇摆修正,计算出射击要素,并将这些要素送到执行机构,执行机构将电信号变成机械转动,带动火炮旋回和俯仰,使火炮每时每刻准确地跟踪瞄准目标。舰炮上还有自动运弹、装填、退壳等机械,利用这些自动化设备,从发现目标开始,只需要十几秒钟就能进行反击。这就大大地缩短了武器的准备时间,以便对付敌人现代快速的袭击兵力和兵器。

人造卫星发射速度与空气的摩擦之谜

为什么流星穿过大气层被烧掉,而人造卫星发射时也穿过大气层,却没有被烧掉呢?

流星穿过大气层前,本身就具有一定的速度。在地球强大的吸引力作用下,流星越靠近地球,地球对它的引力就越来越大,因此它的速度迅速地增大,最后能达到每秒20~70公里。流星以这么高的速度在大气层中运动,受到了巨大的摩擦力,使流星达到几千度的高温,足以烧掉流星。

人造卫星发射前,相对于地球的速度为零,在发射过程中还要不断克服地球的引力,开始的速度很慢,以后逐渐增加。在目前技术条件下,第一级火箭发动结束后才增加到每秒二至三公里。这时卫星已经离地面50~100公里高,那里的大气密度还没有地面的千分之一。当卫星进入轨道时,速度达到每秒7.9公里以上。可是由于高度更高,大气更加稀薄了。所以,在人造卫星发射过程中,虽然由于空气摩擦而产生的温度相当高,但比流星穿过大气层时的温度要低得多,所以不会被烧掉。但尽管这样,还是要用耐高温的合金来做火箭的外壳。为了减少人造卫星与大气层的摩擦,还采取了下面的措施:

(1)卫星和火箭的联结总体的外壳,要造得尽量光滑,以减少大气的阻力。(2)与前进方向垂直的火箭横截面越大,受到的阻力就越大,因此火箭要做成细长的。(3)发射卫星时,为了尽快脱离最浓密的低层大气,一般采用垂直于地面,或基本垂直于地面向上发射的方法。

人造卫星发射穿过大气层时不使其烧掉用的是这些办法,那么宇宙飞船返回地球穿过大气层时用什么方法不让它烧掉呢?一般都用这些方法:当飞船返回地球,将要进入大气层时,飞船向前进的方向喷气,就像喷气飞机那样,不过是向前喷,不是向后喷,使飞船的速度减慢。这时飞船开始下降,当它进人大气层时,不是像一块石头那样笔直地从几百公里高空直冲下来,而是逐渐转成一个弧形很大的下降轨道,斜着飞下来,一般要绕着地球飞行半圈以后,再打开强大的降落伞,这时飞船就可以缓慢而安全地落到地面了。

澳星发射与火箭“刹车”之谜

“新华社西安3月22日电,中国卫星发射测探系统部驻澳星发射现场发言人在此宣布,澳大利亚通讯卫星在今晚6时40分发射时,因运载火箭点火后,一级发动机推力不正常,实施紧急关机。其原因正在查找之中,目前,卫星、运载火箭和发射设施均处于安全状态。”

这则来自新华社短短一百多字的电讯稿引起了海内外各界人士的极大关注。这次澳星发射尽管失败了,但是,人们对“长征—2号E”火箭点火异常后,居然能在几秒内及时“刹车”却留下了深刻印象。

此次澳星发射点火时,一级箭体的一台发动机在工作数秒后,莫明其妙地自行关闭,导致火箭推力不正常。据现场录像,火箭点火后曾向上“轻微”弹起。后经检查表明,火箭的一个支撑脚发生偏移,就差一点,火箭将发生倾倒。

事故发生后,火箭工程技术人员经过近一个月的检查分析,确认故障原因是助推发动机点火后,一、三助推器发动机氧化剂副系统断流活门电爆管误爆,使一、三助推器发动机关机。而电爆管误爆,是由于点火控制电路中的程序配电器的一个控制接点上有微量铝质多余物。接点闭合后产生高温引起爆燃,使上述电爆管误爆。如果不是火箭的安全保障系统及时“刹车”,那么运载火箭还差几吨推力就会起飞,后果不堪设想。

世界上能够用火箭发射卫星的国家屈指可数,各国都有自己的“刹车”绝招,总的来讲不外乎两种:一种是程序控制式,一种是抓持式。程序控制式的原理大致如下:所有火箭上的发动机从点火到达额定起飞推力时均需要一定时间,如果到了一定时间,而火箭未起飞则证明火箭推力不正常。于是,人们可以在程序中设定一段延时,如果延时过后,火箭仍未升空,则立即关闭所有发动机。抓持式的原理是:用一些巨形“机械爪”将待发射的火箭抓住,然后进行点火,当检测到火箭推力正常后,再松开“机械爪”使火箭升空,如果此时发现火箭推力不正常则可从容不迫地关闭所有发动机。我国采用的是程序控制式,西方一些国家采用的抓持式。

采用程序控制工的困难在于,第一,程序中的延时不好确定;第二,火箭在延时中就可能由于其各发动机之间的不平衡推力所产生的力矩作用而倾覆。采用抓持式,虽然可以避免程序控制式的弊病;但是“机械爪”之间的同步问题同样也会在火箭发射时带来麻烦。假如,当其它“机械爪”都松开了,而惟有一只“机械爪”因出现故障而按兵未动,那么火箭倾角马上会发生变化,严重的会导致箭体爆炸。

我国这次火箭“刹车”技术的首次使用成功,保护了数亿美元的火箭、卫星及发射台,避免了一场大灾难。正如海外的一篇专稿中指出的那样:“长征火箭发射澳星上天失败,但无意中向国际航天界透露了中国航天技术的一项‘秘方’——火箭刹掣技术。”

奇特的放电现象

在世界上许多国家都发现了奇怪的放电现象,这种放电现象都造成了一定的破坏。可是对这种奇怪的现象,至今还没有一种令人满意的解释。

早在1817年1月的一天,在美国绿山山脉的许多地方的上空大气层里可以看到一种发光现象。这种发光现象很像蜡烛火焰,往往出现在向上突起或带尖的物体上方空间,正在行走的人会突然看到自己头部周围环绕着这种光,或被比阳光弱的光团包围着。当地的人们只要举起自己的手,好像光就从手指发出。

1894年12月的一天,美国怀俄明州拉腊米堡地方,也发生了一次奇异的放电现象。那天上午10点左右,下起了一阵罕见的暴风雨,一直延续到下午7点。风力最大的时候,许多坚固的建筑都毁于一旦。在暴风雨大作的时候,许多地方都能明显地感受到电流的存在。有些用铁丝绑的篱笆都着了火,没有铁丝绑的篱笆,则安然无恙。有的牛因触到了带电的篱笆而被电死。有人因碰到金属上而受到了电击,好几个月都不能恢复正常。

1964年3月3日,亚利桑那州的图森市也遭受了一场罕见的暴风雪的袭击,同时也发生了一种更为罕见的放电现象。在整个下雪过程中,在这座城市的上空不断出现一种短暂的“闪光”现象,每次间隔的时间大约为15~20秒。这次放电有许多奇异的特征,它是一种单一出现的短暂“闪光”现象,不像通常闪光那样往往伴随着一种忽隐忽视的闪动,不像普通闪电进行的那样激烈、迅猛,也看不出它们与周围笼罩着的一片黑暗阴影形成界限分明、强烈的对比。另外,当这种闪光出现时,没有听到过一次雷声,同时也没有发现它与无线电中出现的静电干扰两者之间有任何关系。这种闪光是从一些在地面上或十分接近地面的地方产生的,它照亮了飘落的雪花和周围的云层。

1971年5月11日,在美国新墨西哥州东南白沙的一片石膏岩沙丘地带,人们也发现了一次有趣的放电现象。这是一个狂风大作的天气,正当强风把沙石漫天吹起的时候,从沙丘顶部一直往上到它上面几米的上空这样大的范围内,都可看到电火花现象出现。这些电火花沿着直线向上延伸,看不出有任何分岔现象,通过仪器看到,这时有非常剧烈的电场梯度变化,其变化量的极性有正向的,也有负向的。

对这种奇怪的放电现象,人们做出了各种各样的解释。

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