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超导“小时代”(1):慈母孕物理 精选

已有 5513 次阅读 2015-12-23 04:33 |个人分类:水煮物理|系统分类:科普集锦|关键词:超导 小时代 连载 杂志 磁 电

超导“小时代”(1):慈母孕物理

【作者注】《超导小时代》系列文章自2015年9月在《物理》杂志连载,欢迎大家订阅、围观。

此文发表于《物理》2015年第9期,详见 http://www.wuli.ac.cn/CN/abstract/abstract65571.shtml 


 

“自然最不可理解的地方在于——它竟然是可以被理解的。”——by 阿尔伯特•爱因斯坦。

 

   我们从何而来?

远古的神话世界里,人类是神仙的杰作。那是一个洪荒的世界,天地玄黄之中醒来一个盘古巨人,他用巨斧劈开这片混沌,清气上浮为天,浊气下沉为地。他自己的咆吼化作雷霆,目光变作闪电,身体成了山川河流,我们的世界从此诞生。广袤无垠的天地之间,孕育了一位美丽的女娲元始大神,她用慈祥的母爱,以自己为样板,捏泥甩浆,造出了这个世界最聪慧的生命——人类。女娲娘娘不仅造了人,还彩石补天,维护了人类的生存环境,堪称史上第一位模仿母亲。无独有偶,西方的神话世界里,也类似有地母盖亚孕育了诸神,进而创造了天地间生命万物的传说。尽管神话有点虚无缥缈,母爱却非常容易切身体验到,人们长久以来都执拗地相信神创论。以至于若干年后,当一位叫做达尔文的英国人声称人类是猴子变的时候,人们对此奇谈怪论非常困惑,甚至调戏了这个“达尔文猴子”。



图1:清初萧云从画作 《女娲》)(取自中文维基百科)


我们生活在怎样的一个世界?

或许神仙创造了我们,但他们却忘了教我们如何去认识这个世界。人类诞生之初,地球正处于活跃期,风雨雪雾雷电,各种神秘又神奇的力量频繁不穷。人们对自然既心生敬畏,又充满好奇。

怀着一颗好奇心,试图去理解这个世界,这就是科学!物理学作为科学的一部分,萌芽于人类诞生伊始对自然的观察和体验。这颗芽一萌,就是漫长的数千年。因为早期的人类,忙于果腹生存,根本没有时间也不够脑细胞去思考,更不用提文字记录了。

让我们按下时间机器的快进键,到物质条件逐渐丰富起来的古希腊。在这个奴隶制的国度,有一小撮有钱人是能够每天吃饱饭的。所谓“食肉者糜”,某些能吃饱饭的古希腊人并不是没事干,除了逛街泡澡搞艺术外,还有一件很重要的事情——那就是思考。思考人生,思考世间万物,思考呀思考,自然科学史上第一位思想家和哲学家就这么出现了。这位叫泰勒斯的老先生,不仅喜欢自己思考数字、万物和神灵,也喜欢听别人讲某些神奇的事情,更重要的是,他会做笔记。正如孔子的《论语》深深影响中华千余年一样,泰勒斯的思考和观察笔记,造就了古希腊最早的米利都学派,进而催生了苏格拉底、柏拉图、亚里士多德、阿基米德等杰出人才。



图2:“科学和哲学之祖”泰勒斯(取自中文维基百科)


科学这颗芽,从此萌出土面。

让我们翻一下古希腊泰勒斯祖师爷的笔记本,噢不,笔记布(当年还没发明纸)。约在公元前6世纪的某一天,泰勒斯记载了两个很有意思的现象:一是摩擦后的琥珀吸引轻小物体,二是磁石可以吸铁。这是有史以来人们对自然现象的第一次完整的记载,代表着物理学史上的第一个实验观察记录。也就是说,物理学里最古老的一支,是电磁学。如今地球人都知道,琥珀吸引小细屑是因为摩擦起电,磁石吸铁是因为自发磁化,但磁和电究竟从何而来,却也不甚清楚。难怪在古希腊时代,这能当作奇闻妙事记录在册。

无论是琥珀吸物,还是磁石吸铁,都像极了母亲张开双臂拥抱她深爱的孩子——如果你带着情感试图去理解这俩物理现象的话。春秋战国时代的华夏先贤,显然比同时期的古希腊哲学家要更懂得科普方式和方法的重要性。面对磁石吸铁这个有趣又难以理解的现象,诸子百家的代表人物管仲先生发明了一个新词汇——“慈石”。他在代表作《管子》写道:“山上有赭者,其下有铁,山上有铅者,其下有银。一曰上有铅者,其下有银,上有丹沙者,其下有金,上有慈石者,其下有铜金,此山之见荣者也。”瞧,咱们自己的祖师爷厉害吧?不仅告诉你怎么找金银铜铁铅矿石,还明确说慈石与铁等矿有关。等等,没写错别字吧?为何是“慈石”?再翻翻其他典籍,你就会发现管老爷子的确没弄错。《山海经•北山经》上道:“西流注于泑泽,期中多慈石。”《鬼谷子》上道:“若慈石之取针。”《吕氏春秋•精通》上道:“慈石召铁,或引之也。”显然,这里说的“慈石召铁”和古希腊人说的磁石吸铁是一码事。说到这里,咱们得扒一扒东汉高诱的解释:“石乃铁之母也。以有慈石,故能引其子;石之不慈也,亦不能引也。”原来石头就是铁的母亲(铁要从矿石中炼出来),要有慈爱的母亲才能吸引其儿女投入怀抱(慈石召铁),而没有慈爱的母亲自然就不能吸引她的儿女了。所谓“慈石”就是“慈爱的母亲石”之意,——这正是“磁”这个字的来源。一个简单的物理现象,只用一个形象的词汇来描述,后来演化成一个字,流传了数千年,凭的是借用了神造人传说中的母爱思维。母爱style的科普,就是这么任性!


图3:磁铁矿石与汉字“磁”

中国古人不仅在记事风格上不同于古希腊人,在做事方面也不会过于流于哲学空谈。发现磁石吸铁现象之后,聪慧的中华儿女做出了他们最骄傲的发明之一——指南针。话说“太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦”,辨认方位对古人来说是首要任务,否则谁也搞不清楚究竟是八卦里的哪一卦。不过,到底是谁第一个用了指南针,考证起来有些困难。一个传说是黄帝用“指南车”穿越迷雾而战胜了蚩尤,这就如秦始皇在阿房宫造磁石门用来“安检”一样,不太靠谱。有记录的关于磁石的应用首见《韩非子》:“先王立司南以端朝夕”,说明最早的指南针雏形应该就是司南。司南啥模样?《论衡》里面介绍道:“司南之杓,投之於地,其柢指南。”也就是说,司南是一个置于铜面的勺形磁石,勺柄指向南方。后来司南被进一步改进成水浮磁针,指南针一名,由此而来。有了指南针这个神器,显然比夜观星象、昼观日影的老式辨识方位的招儿要简单方便的多,妈妈再也不用担心咱迷路啦!指南针的物理原理,还是一个磁字。磁针本身就是一个小磁铁,而地球则是另一个体积庞大的磁体,其磁极就是在南北极附近。尽管地磁场并不强,但它足以让小小的磁针保持和它的磁场方向一致。磁针的一端,就必然总是指向南方或北方了。遗憾的是,老祖宗并没有像西方人一样利用指南针去航海探索世界,而是和八卦地支结合形成了罗盘,至今仍然在风水先生手上常用。汉朝时一个叫栾大的方士,用磁石做的棋子玩出美曰“斗棋”的戏法,还蒙骗汉武帝给封了一个“五利将军”头衔。一个伟大的发明,就这样在一堆小聪明下断送了前途。




图4:司南、指南针和风水罗盘

电和磁现象之所以能最早被人们所认识并记载,其实主要还是因为我们生活的世界中电和磁无处不在的缘故。电闪雷鸣自不待说,看不见、摸不着,但又无所不在的地磁场对我们生活的世界至关重要。地磁场也像大地慈母的怀抱一样,呵护着地球上生命的存在。且不谈有木有另一个地球,就咱这地球以外其实并不十分安全。宇宙中时常有太阳风、脉冲中子星、超新星爆发、甚至是星系碰撞等各种能量爆棚的事情发生,同时会释放出大量高能宇宙射线。这些恐怖的宇宙射线如果直接打到地球上,不止会让太空站、飞船、飞机等仪表失控,也会迅速破坏臭氧层并大大增强地表辐射剂量,这对生活在地表的各种生物都是毁灭性的打击。万幸,我们有无处不在的地磁场,就如一把电磁生命保护伞,地磁场让大部分危险的宇宙射线绕地球而行。部分高能粒子汇聚到地球两极附近,形成了飘忽不定、瞬间变幻、彩色斑斓的美丽极光,似乎是地球母亲派出美丽的欧若拉女神安抚人类:“没事,有我呢,大家都很安全!”

有趣的是,不少生物体内还有“内置指南针”,如鸽子,海豚、金枪鱼、海龟、候鸟、蝴蝶甚至某些小海藻体内都有微小的生物磁体给它们导航。看来飞鸽传书的本领,还是需要天分的。人体内也有微弱的生物磁,利用现代化的心磁图和脑磁图等技术就可以测量出来。常年工作在电脑前或其他强电磁场环境下,人体内分泌系统容易造成紊乱,从而出现心情烦躁和疲劳的现象。据说,要想休息睡个高质量好觉,采用南北向的“睡向”会尽量减少地磁场对人体的干扰。不过磁场影响人体机能的原因非常复杂,尽管《本草纲目》里也有用磁石入药的记载,但磁并不能真的用来治病。戴一些磁项链、磁手镯、磁手表不仅对健康无益,有可能反而导致生物系统失调,得不偿失。至于某些“特异功能”可以认为制造或影响磁场,纯属无稽之谈。


图5:太阳风暴与极光的形成(来源:http://discovery.chinabyte.com/137/8863137.shtml)


地磁场来源于地球母亲一颗火热的慈母心,在地球内部靠近地核的地方大量高温熔融的岩浆不断流动,岩浆里含有磁性矿物使得地球整体呈现极化的磁性。地磁场强度实际很弱,平均强度大约只有0.6高斯,而目前一些人造小磁铁的强度可达数千高斯。目前的地球,地磁南极位于地理北极附近,而地磁北极位于地理南极附近,所以指南针“指南”是因为磁针的南极指向了地磁北极。地磁极和地理极并不重合,也就是说地磁轴和地球自转轴之间有一个磁偏角。话说地球母亲的心情也是充满喜怒哀乐的,地磁的南北极和磁偏角并非一成不变,地磁北极每天向北移动40米,它的轨迹大致为一个椭圆形。在地球的历史上,地磁场的南极和北极曾颠来倒去数次,最近的一次磁极变换是在75万年前。指南针也终有一天变成“指北针”——如果它能保存到那个时候的话。地磁极翻转是常见的地质现象,姑且不说人类有生之年能否遇上,某些人热衷于将其和“世界末日”之类的灾难说联系起来,这些臆想不是自我娱乐就是杞人忧天罢了。

图6:地磁场(取自http://www.nasa.gov


从泰勒斯第一个记录电磁现象开始到今天,两千五百余年过去了,电和磁依然是物理学家感兴趣到头疼的主题之一。尽管人们如今已经知晓,宏观的电磁现象的物理本质是微观的电子运动和相互作用造成的,但是电子在材料内部是如何运动的?它们又为何能够形成如此复杂的电磁现象?电子本身又从何而来的呢?从过去,直到现在,再到未来,这都是人类需要思考的问题。

 

参考文献:

[1]. 作者不详,《山海经·大荒西经》, 《山海经·北山经》.

[2]. 王渝生,古希腊科学始祖泰勒斯,《大众科技报》2003.07.24.

[3]. 司马迁,《史记·封禅书》.

[4]. 马宇蒨,况浩怀. 我国的宇宙线物理研究六十年,《物理》, 2013, 42(01): 23-32.

[5]. 李国栋,2004-2005年生物磁学研究和应用的新进展,《生物磁学》,200601.

[6]. 陈志强,地球的磁场,《物理通报》,195601.

[7]. 周传升,地磁之谜,《中学物理教学参考》,200103.

[8]. 海科《你是电、你是光,你是极地的神话——极地极光现象》,海洋世界,201104.




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