「小本經營」的物理學

2023-03-31 12:12:23 1

現代物理研究基本上是一項「燒錢」的活動，通常需要高科技設備。然而，如果你認為離開「高科技」很難，那你就錯了。有時候，一個簡單的小想法可以漂亮地解決一些大問題。

搞笑諾貝爾獎和非搞笑諾貝爾獎

1996年，安德烈·海姆還是一所荷蘭大學的教授。他的日常工作是研究超導體的磁性，但他渴望探索另一個更基本的問題:水能被磁化嗎？

教科書告訴我們:沒有。但是海姆對答案不滿意。他覺得即使以前的人嘗試過這個問題，那也是很久以前的事了。當時，製造磁場和檢測水分子是否被磁化的設備非常簡單。現在，這些技術已經取得了巨大的進步，可以在新的條件下再次測試。

一個星期五的晚上，他在實驗室裡把水倒入一個20特斯拉(比地球磁場強40萬倍)的超導電磁鐵中。奇蹟發生了:水懸浮在超導體產生的磁場中！這表明水可以在足夠強的磁場中被磁化——你甚至可以用它來抵消重力。海姆後來演示了一隻小青蛙如何在超強磁場中通過體液的磁性懸浮。在一陣笑聲中，他獲得了2000年搞笑諾貝爾獎。

然而，最後笑的是海姆。2002年的另一個星期五晚上，這次是在英國曼徹斯特大學，他有了一個傑出的發現——石墨烯。這種材料由單層碳原子組成，具有無與倫比的導電性和導熱性。起初，海姆和他的同事試圖用傳統方法從整塊石墨中研磨出一層或多層石墨，但發現不起作用。因此，他們轉向普通的塑料膠帶，通過膠帶一層一層地剝離石墨，直到獲得單層石墨烯。鑑於石墨烯的廣闊應用前景，海姆和他的同事獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

桌球滑入大型強子對撞機

世界上最強大的粒子破碎機是位於瑞士日內瓦的大型強子對撞機。2012年，希格斯玻色子的發現引起了全世界的關注。這是一個超級複雜和超級精確的怪物。用於碰撞的質子流在接近真空的管道中行進，其運動軌跡被超導磁體的磁場彎曲成圓形。超導磁體被冷卻到僅略高於絕對零度。

然而，冷卻會導致金屬管收縮。如果所有管道都緊密連接在一起，很可能會導致斷裂。為了抵消這種影響並確保管道中的真值空度，一個部分通過類似於手風琴上的波紋管的結構連接到另一個部分。然而，這帶來了一個新的問題:當數以千計的管道以這種方式連接時，有時會發現質子流在某一部分受阻。但是你怎麼知道失敗發生在哪裡呢？

經過許多日日夜夜的苦思冥想，有人想出了一個美麗的解決方案。一個桌球只需插入管道並給定一個初始速度，它就會以每秒幾米的平均速度在管道中穩定滑動，沒有空氣阻力。我們不會停止，直到我們遇到障礙。當它被卡住時，它指示故障發生的位置。

起初，科學家們還計劃在桌球上貼上一個能發射無線電波的電子標籤，以標明它在管道中的位置，但最終證明即使這樣也沒有必要:當球在管道中移動並被障礙物卡住時，外面的人可以聽到輕微的「咔噠」聲。因此，只要一個人被允許騎自行車並以與桌球近似的速度追球，當他聽到咔噠聲時他就會停下來，然後他就會知道是哪裡出了問題。現在，歐洲核子研究中心的科學家仍然在使用這個小技巧來檢查對撞機管道是否暢通。

引力波的秒表探測

廣義相對論預言，當兩個緻密的天體(如白矮星、中子星和黑洞)相互環繞時，它們將以輻射引力波的形式失去能量。因為在廣義相對論中，重力被解釋為空之間的曲率，引力波是空之間的波動。然而，因為這些緻密的天體通常離我們很遠，而且它們發出的引力波很少傳到地球，所以到目前為止我們還沒有直接探測到引力波。

引力波探測器在地球上非常大而且精確。例如，德國製造的引力波探測器能夠精確地探測到從地球到太陽這麼遠的距離內一個原子長度的變化。目前正在建造的引力波探測器甚至使用人造衛星。

注意這裡所說的是直接探測引力波。但是我們也可以間接地檢測到它。此外，很難相信要間接探測引力波，我們只需要一個光學望遠鏡和一個秒表。

一位美國天文學家手裡拿著這兩樣東西做了這件事。他觀察到一個由一對白矮星組成的雙星系統，公轉周期為12.75秒。他發現他們目前的革命周期比一年前快了1/4微秒。他把這歸因於白矮星輻射引力波，引力波損失能量，導致距離縮短和速度加快。

你可能會說，我的秒表不能測量1/4微秒。沒關係，這種微小的變化會積累。例如，下次發生星蝕時(也就是說，在我們看來，兩個白矮星中的一個擋住了另一個)，與假設它們從不輻射引力波相比，星蝕的持續時間將縮短約6秒。

對於下一次月食，你只需要用秒表測量月食的持續時間，然後將其與最早的記錄進行比較，以驗證天體發出的引力波的效果。如果這種效應被探測到，它可以被推回去證明引力波確實存在。

藥片、玉米醬和高樓

這種小想法太多了。正如我們前面提到的，物理學家用桌球來檢查大型強子對撞機管道是否通暢，而可溶性阿司匹林藥片經常被用來檢查美國國家費米實驗室的質子對撞機管道是否洩漏。

這些管道為加速器提供冷卻水。如果冷卻水不小心洩漏，將導致嚴重的故障。為了防止冷卻水洩漏，科學家們想出了一個好主意:在水管下面容易洩漏的地方放置一片阿司匹林，比如關節。每片阿司匹林負責一個電子開關。當沒有漏水時，開關閉合。當水洩漏時，藥片因滴水而溶解，導致與之相連的彈簧鬆開，開關處於打開狀態，電源在事故發生前自動切斷。

在國際空間站，由於失重，碎片漂浮在空間站上。你猜太空人用什麼來清理碎片？玉米醬！因為玉米醬非常粘，太空人只需要拿一個玉米醬球，並清除麵包屑。麵包屑粘在調味汁上，不要到處亂放。

2013年，幾位法國科學家開發了一種高度靈敏的重力儀。他們想找到一個地球引力會微妙變化的環境來測試它的性能。如果是你，你會看哪裡？太空？或者攀登珠穆朗瑪峰？哈哈，他們靈機一動，想出了最經濟方便的辦法:爬上40米高的大樓。由於每層離地球中心的距離不同，每層的重力加速度也會有細微的差異。這難道不是理想的「地球引力微妙變化的環境」嗎？

這些例子告訴我們，雖然現代物理研究離不開精密複雜的設備，但只要一個人總是「勤於思考，快於行動」，就可以擺脫「設備依賴」。