《物理的故事——在悖论中前行》
第31节

作者: 江湖小片
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  麦克斯韦妖也曾被人类激励地讨论过,最终还是被踢出了物理学。这是20世纪中叶的事,在概率与统计的数学方法、熵等理论基础之上,人类发展了一门新学科:信息论。信息论认为虽然小妖没有对系统做功,但是小妖怎么知道分子的速度、方向、经过的时间呢?唯有测量,而测量则必须有外部做功。假如小妖的神经极其敏感,它不需要借助于外界,只靠那一双迷人的眼睛就可以目测世界,可是没有光线眼睛等于瞎子,而光线进入了系统,系统也就不孤立了。从根本上说,麦克斯韦妖没有存在的可能。

  热寂说基本上也被否定了,随着天文物理学的发展,人类认识到宇宙在不断膨胀,宇宙本身就是趋向于不平衡状态,自然不用担心热寂了,所以热力学第二定律在宇宙系统上并不算完全成立,或许这也是目前很多科学家寻找第二类永动机的主要原因。
  退一万步说,即便宇宙不膨胀,我们也不用像听“黑色星期五”那样悲观,就像史铁生说的:“死是一个必然会降临的节日”,而我们不必等着这个节日的到来。
  日期:2017-08-20 07:30:14
  第二十八回:光谱的故事
  人类研究光谱应该是从彩虹开始的,尽管古人还未曾将彩虹与光联系起来。虹者,从虫从工;虫者,兽也,所以老虎又叫大虫,此处可解释为龙;工者,工整也,可解释为工整排列。大致上,古人—无论西方还是东方都将彩虹解释为天上的某种神兽。
  对光谱有实质性研究的人是牛顿,不管结果如何,他是第一个将白光看成组合光的人,而白光分散开来就是光谱。就像客人坐在饭店里,小二拿来一个菜谱,饭店的菜尽列其上。还有没有别的菜呢?客人似乎别无选择。
  大约在托马斯杨发现光干涉现象的头一年,英国天文学赫谢耳(Herschel,1739—1822)告诉客人山外有山、菜外有菜。赫谢耳出生于军队乐师的家庭,从小对音乐有很多的爱好,也想称为作曲家,但是这些爱好敌不过天文,他时常制作一些大型的望远镜。1781年,他发现了太阳系第七大行星—天王星,从此轰动天下。
  1800年的某天,他依然和往常一样,用三棱镜观测恒星的光谱,然后用很灵敏的温度计测量每个颜色的光谱的温度。可能是他不小心,某天他将温度计放到了红色光谱之外,结果温度计的温度也升高了,赫谢耳感到很奇怪,他认为红色光谱外面还有人类看不见的光,所以称之为“红外光”。其后不久,光的波动学说成为主流,所以光谱不同的颜色代表着光的不同频率,人眼能看见的只是光谱的一小部分,还有很多不可见的光。光远比牛顿时代的人类想象的更为广大。

  即便在可见光部分,光谱也很复杂。1802年,英国化学家沃拉斯顿(Wollaston,1766-1828)用一条很窄的细缝取代牛顿的小孔,再透过三棱镜时,发现可见光的光谱中夹杂着几条黑黑的线。长久以来,我们对光谱认识产生一个误区,认为光谱是由七色组成,实际上光谱是连续的,也就说分不清有多少光,只是大致上分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫而已。沃拉斯顿将他看到的黑线解释为不同颜色光的分割线。

  牛顿后第二位对光谱研究取得很大成果的是一位德国的玻璃匠—夫琅和费(Fraunhofer,1787-1826)。夫琅和费出生于德国的拜仁一个玻璃制造工人的家庭,他的祖父和父亲都是玻璃工匠,他的母亲家与玻璃的渊源甚至可以追溯到伽利略时代。他本人也是很好的继承了父母两家的优良传统。只是可惜,他十岁死了娘、十一岁死了爹,从此住进了平民窟,十四岁时平民窟倒塌,他被人从瓦砾堆里救了出来。碰巧他的遭遇让当时路过此地、日后成为巴伐利亚的国王知道了,他资助夫琅和费进入学校学习。

  1814年,夫琅和费在研究三棱镜时,他把三棱镜对着太阳光透过的小隙缝形成的线光源时,发现光谱中的暗线比沃拉斯顿看到的要多很多。如果三棱镜的镜面比较粗糙,这些暗线就会模糊不清,由此夫琅和费的手工艺可见一斑。
  当他把三棱镜对着月亮的线光源时,也得到了同样的光线谱。他把这些暗线在光谱图上标记出来,并且按字母编号,它们后来被称为“夫琅和费谱线”。
  夫琅和费把三棱镜放到天文望远镜的一个焦点位置上,发现光谱中的暗线位置和数量都有很大的差别。这些发现无疑是很伟大的,只可惜人微言轻,科学界对他本人不够尊重,只将其看成一个“制作者”,说难听点就是一个干活的人,所以出席某些科学会议时,他连发言的资格都没有,然而正是这位干活的人,一手将拜仁(也就是巴伐利亚)带到了世界第一大光学仪器制作中心的位置上。1826年,夫琅和费在长期的玻璃制造倒下了,年仅39岁,死于重金属中毒导致的肺结核。

  日期:2017-08-20 07:31:30
  直到30多年后,赫兹的老师基尔霍夫对光谱中的暗线做了合理的解释。基尔霍夫( Kirchhoff,1824—1887)出生于今天的俄罗斯的加里宁格勒,在当时叫柯尼斯堡,属于普鲁士王国,是当时德联邦领土不可分割的一部分。基尔霍夫便在柯尼斯堡上的大学,主修物理。基尔霍夫是一位天才,年仅21岁的时候,他提出了基尔霍夫电流和电压定律。翻译成教科书语言:并联电路总路电路等于各分路之和;串联电路总电压等于各元件电压之和。基尔霍夫因此被誉为“电路求解大师”。也许有人会认为这条理论“图样图森破”,然而电路是这样时,我们就该向这位大师多烧几柱高香了。

  大学毕业之后,基尔霍夫便开始去柏林大学任教,与当时德国一位化学家本生(Bunsen,1811—1899)相识,两人结下了深厚的友谊。本生出生于书香门第的家庭,也是将家族基因发扬光大的人。1852年,他担任德国海德堡大学教授,为了不耽误和基尔霍夫在一起的光阴,在本生的推荐下,两年后基尔霍夫也成为了海德堡大学的教授。他二人将人类对光谱的认识推向了新的高度。
  故事还得从一盏灯说起。早在18世纪中叶,欧洲人开始使用气体燃烧作为照明之用,只是如果煤气燃烧不够充分,导致火焰的温度不高,而且浓烟较多污染大。到了拉瓦锡时代,人类清楚地认识到燃烧是与空气中的氧气化合作用。于是本生改良了气灯,他让煤气在燃烧之前就与空气按照一定的比例混合,燃烧后的温度大大提高,火焰也呈现出不同的颜色。
  火焰的颜色代表什么?那时候人类早已知晓,燃烧的温度不同会呈现不同的颜色。比如一堆篝火,木头燃烧后会产生二氧化碳、一氧化碳等等其他,同时释放大量的热,这些热将气体和燃烧后的小颗粒的温度升高,于是呈现出火焰,所有的物体加热到一定程度都会成为发光体,比如通红木炭、锅炉腔体中的锻铁、白炽灯的钨丝等等。
  不是所有的“火焰”都会被人眼看到,比如煤气的主要成分是一氧化碳,如果将煤气提纯点在本生灯指上,火焰的颜色渐无,因为它的光谱在可见光之外。但是如果在火焰上加点食盐(氯化钠),火焰呈黄色。
  某一天,本生和基尔霍夫二人和往常一样在散步。本生告诉基尔霍夫燃烧食盐的实验,并告诉他用有色的玻璃镜片看黄光,很带劲哦。基尔霍夫笑着说:“如果我是你,我会选择用三菱镜。”果然第二天,基尔霍夫带着三菱镜进入了本生的实验室。
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