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第33章 发明异趣(7)

根据实验结果,伏打说伽伐尼搞错了:电并不是从蛙腿肌肉中产生的。因为果真如此,又何必非要用两种不同的金属才能将“电”放出来呢?

那么,电是从何而来的呢?伏打认为,这一定是两种不同的金属,加上蛙腿内的某种东西而产生出来的。伏打还猜想这种东西可能是食盐溶液,因为食盐溶液广泛地存在于肌肉、神经、脂肪等动物组织中。于是,伏打开始了又一实验,即不用任何动物细胞组织,而只用一对性质不同的金属和食盐溶液,结果仍能产生出电流来。

伽伐尼听到伏打的实验结果十分震惊,但他仍然相信自己原来的推断。为此,他与伏打展开了一场科学史上有名的“蛙腿论战”。伽伐尼的重要论据之一是,在海洋里生活着电鳗、电鳐等自身会发电的鱼,它们的发电,同所谓“两种性质不同的金属的接触”毫无关系。

伏打认为,这些会发电的鱼和蛙腿实验是两码事。他指出,蛙腿的抽搐表明肌肉中有电流通过,蛙腿在这里仅仅起着电流指示器,即验电器的作用。1799年,为了证明自己的观点是正确的,伏打把银的小圆片和锌的小圆片相间重叠起来,并用食盐水浸透过的厚纸片把各对圆片相互隔开。他一共用了60个银片和60个锌片,在头尾两圆片上连接导线,当这两条导线接触的时候立即产生了火花。这就是科学史上著名的伏打电堆。

1800年6月26日,在英国皇家学会的讲坛上,宣读了伏打关于“各种传导物质仅依靠接触而激发的电”的专题论文,使全世界都知道了伏打和他的电堆,“蛙腿论战”也至此终结。人们向伏打表示深深的敬意,因为伏打电堆的发明,使人类第一次得到了稳定而持续的电流,为电学研究从静电跃进到动电阶段创造了最为重要的条件。以后,为了纪念伏打,在1881年的国际电学代表大会上还通过了决议,将电压的单位命名为“伏”。

不过,虽然“蛙腿论战”胜负已定,人们也不会忘记伽伐尼为电学发展所做的伟大贡献。1801年1月,伏打在巴黎科学院表演他的电堆时,曾说过一段深情的话:“在表演前,请允许我先向前些年一直在和我激烈争论的伽伐尼教授致以崇高的敬意。不幸的是,他在3年前已离开了人世,今天不能和我们共享发明的欢乐。这发明首先应归功于他,没有他的蛙腿实验及后来的论战,也就不会有我今天的发明。”

“泰坦尼克号”的悲剧

1912年4月14日深夜,英国建造的世界最大邮轮“泰坦尼克号”正航行在一片漆黑的纽芬兰海面上。“冰山!”正在船首望的船员惊呼了起来。但一切都已经无法挽回了,全速航行的巨轮撞到了冰山上,酿成了人类历史上空前的海难……“泰坦尼克号”的悲剧却直接导致了用于水下侦察的声纳的发明。

“声纳”原来的意思是声音导航和测距,“声纳”二字取的是英文缩拼读音的谐音。

实际上,早在14世纪,意大利科学家达·芬奇就开始了水下侦察的探索。达·芬奇发现水能够传递声音,并进而发明了被后人称为达·芬奇声管的早期水声器材。1490年,达·芬奇在他的日记中是这样描述他的声管的:“如果使船停止航行,将一根长管的头插入水中,将耳朵贴近长管的末端,就能听到远处航船的声音。”当时还没有出现机器驱动的轮船,有的仅仅是桨船、帆船,但达·芬奇声管已经能听到船行进的声音,这足以说明这一发明的优良性能。所以,后来人们将达·芬奇声管称为原始声纳。

1827年,瑞士物理学家丹尼尔·科拉顿和法国数学家查理士·斯特姆合作,进行了人类历史上第一次水中声速的测量,测出声音在水中的速度为每秒1435米,是声音在空气中速度的4倍。科学家们还发现,声音在海洋中前进时,一路上会被海水“蚕食”,在遇到海洋中的物体和海底时,声波还会反射回来,此时也会被“吞掉”不少声波。这些发现为声纳的真正诞生创造了非常重要的条件。

“泰坦尼克号”的沉没引起举世震惊,也带来了声纳发展的春天。1912年4月19日,也就是悲剧发生5天后,英国科学家理查森即大声呼吁:用空气回声装置进行定位!一个月后,他又提出了与空气回声定位相仿的水声回声定位方案。这就是世界上第一个主动声纳的设想方案。

理查森的设想是,声纳本身向水中发射声波,声波碰到水中物体后反射回来,声纳又能自己接收,从而探知前面有物体存在。利用这种装置,人们就能在黑夜和大雾等不良海况下直接探测到前方冰山等障碍物,从而避免类似“泰坦尼克号”那样的悲剧重演。

理查森的主动声纳设想理论上无懈可击,但限于当时的技术条件,这一设想没有付诸实施。

直到第一次世界大战开始后,理查森的设想才又引起了人们的注意。

一战期间,德国潜艇肆无忌惮地攻击协约国的军舰和商船,仅1915年,德国潜艇每月就击沉协约国船舶20万吨以上,而德国潜艇平均每月仅损失一艘半!“哎哟,太可怕啦!得赶快发明一种能发现德国潜艇的仪器!”英国军方赶紧成立了一个潜艇探测研究委员会,研制成了噪声定位仪。这种仪器能听到潜艇在水下航行时螺旋桨转动击水的声音,并能根据噪声最强的方向,大略地判断出潜艇所在的方向。不过,如果德国潜艇趴在海下不动,噪声定位仪就无能为力了。从水下突然冒出的事先埋伏的德国潜艇仍令英国人猝不及防。

当英国人为此一筹莫展时,英国人的盟友——法国人却在另一个方向上进行研究。1915年3月,法国物理学家郎之万和希洛斯基在1912年理查森设想的基础上,提出了使用超声波进行水下探测的设想。1916年,郎之万成功地在水里产生了超声波,他发明的装置能很快探测到水下100米远的铁板发射回来的声音。

接下来的问题,是要找到一种有效的方法来产生超声波脉冲和接收从水下物体反射回来的声音,接收回声后,要使水下物体的位置能计算出来。这项工作花费了郎之万大量的精力,后来,郎之万终于在法国物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里多年前发现的石英压电效应中得到启发,用石英制成了接收器,最后发明了被称为“回声定位仪”的声纳。

“回声定位仪”由换能器发出声波,声波碰到潜艇或其他物件后反射回来,经换能器接收,又变成电信号,经接收机放大处理,就会在显示器的荧光屏上显示出来,人们根据声波信号一去一回所用的时间和音调高低等,就可测出目标的距离和位置,判断出目标的性质。

遗憾的是,等郎之万的“回声定位仪”在1918年底问世,尚未为对付德国潜艇作出贡献,一战便结束了。直到二战开始,它才在海上大显身手,有效地制约了德国潜艇。

现在,声纳已成为各类舰艇和船只必备的仪器了。

镜子的发明

1600年,法国国王亨利四世要结婚了。欧洲各国特使云集巴黎,向国王献上奇珍异宝,代表各国对国王婚礼大典致贺。

使王后德美第西斯最为中意的礼物来自一个小国——威尼斯公国,这个小小的城市国家献给王后的礼物价格高达15万金法郎!婚礼后,王后常常将这件礼物给王公大臣们观赏,炫耀自己的富有和至贵。这是什么礼物,这么奇贵,竟令王后如此得意?

说出口你可能要笑出声来,原来是一面镜子,一面仅书本大小的玻璃镜!

请你不要感到好笑,镜子刚发明的时候,确实是非常珍贵的。

我们不妨简略回顾一下镜子发明以前的情况。古代没有镜子,远古的人是在平静如镜的湖水中观看自己容貌的。原始社会中期,人们用各种形式的石器或陶器来盛水照脸蛋,叫做“监”。到了商周时代,“监”开始用铜制造,于是改叫“鉴”。战国时,人们掌握了制造青铜器的成熟工艺,开始用雕好的陶模浇青铜液铸成镜子。青铜镜很受人们欢迎,被人们用了好几千年。不过铜镜用久了,镜面容易氧化,变得灰蒙蒙的,那就什么也看不出来了。

第一面玻璃镜子是在400多年前威尼斯的穆拉诺岛上出现的。这个小岛是威尼斯玻璃制造业的中心,有着一大批熟练工匠,能制造出各种美妙的玻璃艺术品来,也能制出当时欧洲质量最好的平面玻璃来,玻璃镜子就是岛上最优秀的两位工匠——达尔卡罗兄弟的发明。

当时,岛上常会发生这样的笑话,街上的行人在走过住家时,会见到里面的姑娘笑吟吟地隔着窗户对他注视,而行人对姑娘报以微笑却得不到回应。原来,一些聪明的姑娘发现窗户上的小片平面玻璃在光线、背景合适的时候,能反射人影,所以就拿它当镜子用了。当然,这样的“镜子”效果并不理想。

能不能为我们的姑娘发明理想的镜子呢?达尔卡罗兄弟反复琢磨。他俩想到了一个熟悉的生活现象:清澈见底的清水池塘不能映出人影,而深色的水或有深色底面的浅水却可映出人影。一个发明设想逐渐在他们脑中形成了:如果在平面玻璃的背面加上一层衬垫,也许会有更强的映照能力。

达尔卡罗兄弟决定选择一种能够涂在玻璃上的物质作为镜子的衬垫。没想到,为找到这种衬垫物质,兄弟俩竟付出了十几年的辛劳。他们试用过石粉、泥土、炭末、面粉、木屑等,但都失败了。后来,他们想到了用金属,先用铜试验。兄弟俩将熔化的铜液浇在预热过的平面玻璃上,“啪、啪”,玻璃碎了。待玻璃冷却后,拿起来一看,碎片的映照能力倒是大为提高了,但用手指轻轻一掸,玻璃后的铜片竟掉了下来。

得解决玻璃碎裂的问题!看来,是铜液的温度太高,铜的熔点为10835℃,玻璃经受不起这样的高温。他们又试用了一些低熔点的金属,那天,他俩试着采用锡,锡的熔点只有2319℃。弟弟将坩埚里的锡液倒在玻璃上,哥哥细心地用一只小滚筒将锡液推成薄薄的锡箔。果然,玻璃经受住了考验,没再碎裂。

还未等玻璃全部冷却下来,兄弟俩就迫不及待地将它翻过来看效果。啊,一对紧张的面孔正对着他们呢!一看,那对面孔迅即换成了两张笑脸——兄弟俩大声叫喊起来:“成功了!”

这仅是初步的成功,锡箔镜的映照能力虽然大大提高,但使用期限却不长,要么就是镜背的锡箔部分裂纹,空气侵入氧化锡箔,使镜子出现大片灰暗;要么锡箔干脆剥落下来。

怎么办呢?又经过一番思索、研究、试验后,他们决定用另一种金属水银来帮忙。水银是一种很奇特的金属,这不仅仅因为它是惟一的一种在常温下呈液态的金属,还在于它有非凡的溶合其他金属成为液态合金的能力,就连金这样的金属也会被溶在水银中,像锡这样的金属就更不在话下了。

最后成功的一天终于来了。在试验作坊里,兄弟俩先把平面玻璃制成锡箔镜,再把水银倒在锡箔上,水银慢慢地溶解锡,形成一薄层锡和水银的合金“锡汞齐”。锡汞齐比锡箔更为致密,有很好的映照能力,而且干后能很牢固地附着在玻璃上。在历经十余年艰辛后,世界上第一面“水银镜”终于在达尔卡罗兄弟手中诞生了!

由于当时还不能制造大片的平板玻璃,所以制作出来的镜子都很小,一般只有火柴盒大小,巴掌大的都很难得。而且,为了垄断挣大钱,威尼斯严密封锁了穆拉诺岛,不让外人上岛,也不准岛上的人离去,以确保水银镜制作技术不泄露。因此,法国王后德美第西斯得到的书本大小的镜子确实是异常珍贵的。

不过,因为法国人,镜子很快就变得不那么值钱了。由于王后特别钟爱水银镜子,促使法国人出大钱买通了穆拉诺岛上的守卫,让三位制作镜子的优秀工匠外逃到法国,从而使水银镜的生产技术大白于天下。后来法国人还设法制出了大玻璃,使镜子有可能做得比书本还大。

镜子以后在技术上的发展并不很大,在19世纪中叶,人们开始换用硝酸银来制“银镜”;20世纪70年代起,英国的一家公司又换用铝来代替银镀在玻璃上制镜。现在我们使用最多的就是“铝镜”。

显微镜趣事

1590年的一天,荷兰米德尔堡的眼镜制造技师哈里耶斯·詹森有事外出了。他的两个童年的儿子——一对淘气包,偷偷溜到了爸爸的作坊里去玩。兄弟俩看到爸爸的工作台上有许多玻璃片,台上还放着一个铜管,这铜管是詹森用来制造眼镜框的。哥哥顺手拿了两块镜片放到铜管两端,对着一本书去看。

“快看呀,字母的一个小点大得像一只蝌蚪啦!”听到哥哥的咋呼声,弟弟马上抢过铜管,对着桌上的一根头发看起来:哎呀,头发简直粗得像根铅笔。

这时,爸爸回来了。听着这小哥俩你一句、我一句兴奋地谈着刚才的发现,詹森将信将疑地走向工作台,拿起了那个铜管和两块镜片,果然也看到了奇迹。于是,他开始有意识地进行这方面的研制。不久,世界上第一台复式显微镜就在詹森的手中诞生了。它由一个双凸透镜和一个双凹透镜组成,前者作为物镜,后者作为目镜,镜筒大约长4572厘米,直径约508厘米。由于它的放大率远远高于放大镜,人们将它称做“显微镜”。

1628年,德国人衰纳制成了一种新式显微镜。它由两个透镜系统组成,每个透镜系统都起一个单透镜的作用,最靠近物体的透镜产生一个实像,通过作为放大镜的第二个透镜可以看到这个实像。衰纳显微镜是近代显微镜的原型。

在显微镜的发明史中,最杰出的人物是列文虎克。

1632年,列文虎克出生于荷兰德尔夫特市一位普通工匠家庭里。16岁时父亲去世,迫使他离开学校去阿姆斯特丹当一家杂货铺的学徒。每天夜晚,当杂货铺关门之后,列文虎克就去做他最感兴趣的两件事:一是读书,书籍中上至星星月亮,下至蝼蚁蚤虱的丰富知识,引起了他对自然科学的浓厚兴趣;二是磨制镜片,在杂货铺的隔壁是一家眼镜工场,他在那里学会了磨制镜片的技术,并乐此不疲。这两项爱好为他成为一位器械发明者打下了必需的基础——广博的知识和精湛的工艺。

不过,有成功的基础并不意味着就能成功,要摘到成功的果实还必须付出艰巨的努力。对列文虎克来说,成功是姗姗来迟的,当他即将步入老年时,才得到了鲜花和掌声。

告别了学徒生活后,列文虎克回到了德尔夫特市当了市政府的看门人。看门这项工作收入低微,但较清闲。每天,他只要定时到钟楼上去敲钟,以及定时开闭市政府的大门,这样,列文虎克就有了不少空余的时间。这期间,人们常常发现在列文虎克居住的小木屋里,经常传出“嚓、嚓、嚓”磨镜片的声音,他几乎把全部的空余时间都投入到显微镜的研制中去了。

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