科学测量,非要用高精尖仪器吗(上)

作者: 华兴恒

来源: 百科知识

发布日期: 2020-02-18

本文讲述了在科学测量中,即使没有高精尖仪器,科学家们也能依靠基本的物理知识和创造性思维进行有效测量。文章通过费米和仁科两位科学家的故事,展示了他们在没有先进仪器的情况下,如何成功测量原子弹爆炸的威力和温度。

一提到现代物理学的测量,许多人的脑海里可能就会出现一些非常复杂、高级、精密的仪器,也就是人们通常认为的所谓“高精尖”仪器。事实上,测量工作是否需要使用所谓“高精尖”仪器,不能一概而论。在一些特殊场合和情况下,即便没有先进的测量仪器,依据基本的物理知识,同样也能够进行测量,完成有价值的科研工作。

美国物理学家费米是一位享有盛名的原子物理学家,他不仅在理论方面具有很深的造诣,在实践经验方面更是硕果累累。在现代物理学家中,像费米这样“文武兼备”的奇才,可以说很难再找到第二个。

在第二次世界大战期间,出生于意大利的费米只身从意大利来到美国,参与和领导了该国原子弹的研发工作。经过艰辛努力,世界上的第一颗原子弹终于被研发制造出来,即将进入爆炸试验阶段。原子弹的爆炸威力究竟有多大?虽然从理论上可以计算出精确结果,但毕竟没有经过爆炸实际检验,参与原子弹研发工作的科学家们谁的心中也没有底。

1945年7月6日,世界上首颗原子弹在美国新墨西哥州南部的沙漠中进行了试爆。当时,原子弹的研发人员都守候在离爆炸中心很远的掩体内,他们心中忐忑不安,既期盼着爆炸成功,又担心会有不测事故发生。那一天,费米也在现场,他悄悄地向口袋里塞了一把撕得粉碎的纸屑。旁边的工作人员看到费米的这个举动,感到非常奇怪,不知他到底想干什么。

正待上前询问时,只见一道强烈的闪光把漆黑的夜空照得比白昼还要明亮;紧接着,便是震耳欲聋的爆炸声;往远处眺望,一个巨大的蘑菇云腾空而起。原子弹爆炸试验成功了!当研发人员还处于高度兴奋之中时,原子弹爆炸引起的强大冲击波到来了。就在这时候,只见费米飞身跃出掩体,一边向前疾速奔跑,一边不慌不忙地从口袋里掏出了那把碎纸屑,向空中抛撒出去。一阵狂风把纸屑吹到了很远的地方。

费米一边向空中抛撒碎纸屑,一边数着自己的步子;然后,根据纸屑飘落的时间和特定步幅的长度,费米粗略测算出了纸屑飘落的速度,再由这个速度估算出空气受热剧烈膨胀所产生的冲击波的能量,从而计算出第一颗原子弹爆炸所释放的能量——相当于2万吨TNT炸药爆炸。

为什么费米只用了一把碎纸屑就能得到如此精确的测量结果呢?原来,费米事先测量了纸屑在8级大风下的飞行距离,据此推算出原子弹爆炸时产生的冲击波的强度,从而估算出原子弹爆炸的威力。

无独有偶。1945年8月6日,日本广岛遭到人类历史上第一颗用于实战的原子弹轰炸。核爆发生后,一位名叫仁科的日本原子物理学家受命前去调查。几年前在欧洲从事科研工作时,仁科就对原子弹有所耳闻,只是并不清楚这种神秘武器究竟有多大威力。虽然到广岛现场调查时并没有携带任何测量仪器,但仁科还是很快测算出了原子弹爆炸时的高度和爆炸中心区的温度。

仁科是如何得出测量结果的呢?原来,他发现,在靠近爆炸中心的地方,瓦片都被烧熔了一层。一般来说,瓦片只有在数千摄氏度的高温条件下才会熔化。仁科就是根据瓦片被烧熔的厚度,估计出了爆炸时的温度。另外,仁科观察到残余的墙上印着一些人和树的影子,这是强烈的光线辐射上去的。根据这些影子的投射角度,仁科估算出了原子弹爆炸时所在的方位和高度。

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