2018“小本经营”的物理学

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小本经营的物理学
现代物理学研究基本上是一项烧钱的活，动辄需要高精尖的技术设备。不过，假如你以为离开高精尖就寸步难行，那就错了。有时候，一个简单朴素的小主意，也可以漂亮地解决一些大难题。
　　搞笑和不搞笑的诺贝尔奖
　　1996年，安德烈海姆还是荷兰一所大学的一名教授。他日常的工作是研究超导体的磁性，但他渴望去探索另一个更基本的问题：水能被磁化吗？
　　教科书上告诉我们：不能。但海姆对这个答案并不满意。他觉得这个问题即使前人已经试过，也已是久远之前的事了；那个时候，不论制造磁场的设备，还是检测水分子是否被磁化的设备，都很简陋。而现在，这些技术都已有了长足的进步，完全可以在新的条件下再做一次检验。
　　一个周五的晚上，他把水倒入实验室里20特斯拉（强度是地磁场的40多万倍）的超导电磁铁中，奇迹发生了：水在超导体产生的磁场中竟然悬浮了起来！这说明，在一个足够强的磁场中，水是可以被磁化的你甚至可以用它来抵消重力。海姆后来演示了，在超强磁场中，如何让一只小青蛙依靠其体液的磁性悬浮起来。在一片哄堂大笑中，他赢得了2000年的搞笑诺贝尔奖。
　　然而，笑到最后的却是海姆。2002年，在另一个周五的晚上，这一次是在英国的曼切斯特大学，他做出了一项杰出的发现石墨烯。这种材料是由单层的碳原子组成的，有着无可比拟的导电、导热性能。起初，海姆和他的同事想用传统办法把一层或几层石墨从一整块石墨中磨下来，发现行不通。于是，他们转而求助于普通的塑料胶带，通过胶带把石墨一层层剥下来，直至获得单层的石墨烯。鉴于石墨烯的广阔应用前景，海姆和他的同事获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
　　乒乓球滑进大型强子对撞机
　　迄今世界上最强大的粒子粉碎机，是坐落于瑞士日内瓦的大型强子对撞机。2012年，它因发现了希格斯玻色子而举世瞩目。这是一架超级复杂又超级精确的庞然大物。用于碰撞的质子流在近乎真空的管道里穿行，而且其运动轨迹被超导磁体的磁场弯曲成一个圆形。超导磁体则被冷却到仅比绝对零度高一点点。
　　但冷却导致了金属管道的收缩，如果所有管道都严丝合缝地连在一块，很可能会导致断裂。为了抵消这种影响，又能保证管道内的真空度，一段跟另一段管道之间用类似手风琴上风箱的结构相连。但这又带来一个新问题：当成千上万段管道以这种方式相连之后，有时会发现质子流在某段上被挡住过不去了。但如何知道故障发生在哪一段上呢？
　　经过多少个日夜的苦思冥想之后，有人想到一个漂亮的解决办法。一只乒乓球刚好可以塞进管道，给它一个初速度，它在没有空气阻力的真空管道内就会以平均几米每秒的速度稳定滑行；除非遇到障碍，才会停下来。当它卡在哪里的时候，就说明故障发生在哪一段上。
　　最初，科学家还打算在乒乓球上装个能发出无线电波的电子标签，来标注它在管道内的位置，但最后证明连这都是多余的：当球在管道内运动，被障碍卡住时，外面的人可以听到轻微的咔嚓声。于是，只要让一人骑上自行车，以跟乒乓球大致相等的速度追着球跑，当听到咔嚓声时就停下来，于是就知道了故障之所在。现在，这个小技巧依然被欧洲核子中心的科学家用来检测对撞机管道是否畅通。
　　秒表探测引力波
　　广义相对论预言，当两颗致密的天体（如白矮星、中子星和黑洞），彼此绕着对方转时，就会以辐射引力波的形式损失能量。因为在广义相对论中，引力被解释成空间的弯曲，所以引力波就是空间本身的波动。但因为这些致密天体离我们通常都十分遥远，其发射的引力波传播到地球上早已微乎其微，所以我们至今没有直接探测到引力波。
　　在地球上，引力波探测器都非常庞大而精密。比如建于德国的一架引力波探测器，其精度达到能探测从地球到太阳这么长的距离之内，发生仅相当于一个原子长度的变化。目前在建的引力波探测器，甚至都动用了人造卫星。
　　注意，这里说的是直接探测引力波。但我们也可以间接地探测呀。而且说起来难以置信，要想间接探测引力波呢，我们只要拥有一架光学望远镜和一块秒表即可。
　　美国一位天文学家用手头的这两样东西就做到了这一点。他观测的是由一对白矮星组成的双星系统，其公转周期是12.75秒。他发现，它们现在的公转周期比一年前快了1/4微秒。他把这归因于白矮星辐射引力波，损失了能量，导致距离缩短，速度加快。
　　你或许会说，我手头的秒表可没法测1/4微秒这么短的时间呀。不要紧，这个微小变化会不断积累的。比如，下一次星食（即在我们的视线范围内，两颗白矮星中一颗挡住另一颗）时，星食持续的时间比起假设它们从未辐射引力波，将缩短大约6秒钟。
　　下一次星食，你只要用秒表测出星蚀持续的时间，然后跟最早的记录做对比，就可以验证天体发射引力波带来的一个效应了。若探测到这个效应，就可倒推回去证明引力波确实存在。
　　药片、玉米沙司和高楼
　　这类小主意举不胜举。前面我们已经提到，物理学家用乒乓球来检测大型强子对撞机的管道是否通畅，而在美国国家费米实验室，可溶的阿司匹林药片经常被用于检测正负质子对撞机管道是否漏水。
　　这些管道是为加速器提供冷却水的，如果冷却水不慎泄漏，会造成严重故障。为了防止冷却水泄漏，科学家想到了一个好主意：在水管容易漏水的部位（比如接缝处）底下，放置一片阿司匹林。每一片阿司匹林负责一个电开关。不漏水时，开关处于关闭状态。漏水时，药片被滴水溶化，导致与之相连的弹簧松开，开关处于打开状态，在事故未发生之前就自动