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1912年的诺贝尔物理学奖

已有 10100 次阅读 2010-1-8 23:10 |个人分类:科研与教学|系统分类:科普集锦| 诺贝尔物理学奖, 达伦, 工程应用研究

2009年度的诺贝奖已经在2009年12月颁发了。09年的诺贝尔奖有两个引人注目的特点。一是女性获奖者比较多,自然科学奖9位获奖者当中有3位女性,诺贝尔经济学奖也第一次颁发给女性经济学家。另一个比较特别的地方是将诺贝尔物理学奖颁发给3位做出了具有重大应用价值的技术发明成果的工程科学家(高锟、威拉德·博伊尔、乔治·史密斯)。
纵观诺贝尔物理学奖的历史,大多数的奖是发给物理科学基础研究领域的实验和理论研究成果。因工程应用方面的成就获得诺贝尔奖的研究不太多。以下获奖项目跟工程应用背景关系比较密切:
李普曼(1908年)因发明彩色照相术获奖。
马可尼和布莱恩(1909年)因为在无线电报方面的贡献获奖。
达伦(1912年)因为发明航标灯塔自动控制装置获得诺贝尔物理学奖。
纪尧姆(1920年)因发现特殊性能的镍合金钢并应用于物理量精密测量技术中获奖。
基尔比(2000)在发明集成电路中起到关键作用获奖。
另外巨磁电阻效应(2007年阿尔贝·费尔、彼得·格林贝格尔)是基础的物理学发现,但其发现之后很快广泛应用于微电子产业可能也是其获奖的重要原因之一。
在这些获奖成就当中,达伦的获奖成果对在工程领域中从事研究的科研人员来说可能更有借鉴意义。
1912年,瑞典皇家科学院决定将该年度的诺贝尔物理奖授予瑞典工程师G.达伦,奖励他设计制造的气体存储器和自动阀门及其在灯塔和航标灯上的广泛应用。
瑞典是一个有着漫长海岸线和许多大小岛屿的国家,长期以来迫切需要可靠又价格低廉的灯塔和航标装置。
大约在1895年出现了用碳化钙制成的乙炔商品。乙炔是碳氢气体,燃烧能够产生很亮的白光。因此很早以前就有人想用乙炔作为灯塔光源的燃料,但没有得到很满意的效果。问题是乙炔在压强等于或大于一个大气压时,受到轻微的震动就会爆炸。有人试图把碳化钙放在浮标中,让它与水发生化学反应生成乙炔。这种方法也不可靠,而且不适用于寒冷天气。
法国科学家发现丙酮能够大量吸收乙炔。达伦发现如果把乙炔放入一种多孔材料(aga),并通过一些特殊工艺将其放进钢瓶中,就可作为储存乙炔的容器。在这容器中,一半的多孔材料充以丙酮,然后把十个大气压的乙炔压进容器。在此压力下,温度为15oC时乙炔的体积为容器的100倍,这样的比例可以提供灯塔和航标灯燃烧所需的乙炔量。就这样,达伦解决了灯塔发光的光源问题。
另一个问题是如果乙炔是连续燃烧的话也不行,因为成本太高,也不易区分不同灯塔的光。达伦1904年开始研究,他设计了使气体开关能够迅速打开和关闭的装置,使得一升乙炔气体能够产生几千次迅速而明亮的闪光。经过长时间的试验表明,这个精巧的装置十分可靠。结合乙炔存储器,达伦设计制造出了应用于灯塔和航标的可靠而又经济的自动照明装置。
1907年,达伦又对他的装置作了更为精巧的改进。他设计了一种叫做“solar valve”的阀门。这种阀门密封在一个玻璃管中,由4根金属棒组成,最下面的1根金属棒涂成黑色,其他三根则经过高精度的抛光和电镀。有阳光照射时,黑色金属棒吸热而膨胀伸长,切断乙炔气体阀门。当日光减弱时,黑色金属棒因温度降低而收缩,当它与其它三根金属棒长度相同时,乙炔气体阀门打开。用这种方法可以任意调节气体阀门的灵敏度。为保险起见,灵敏度调节到一旦有雾或乌云遮住太阳时阀门就自动打开。“solar valve”阀门与气体开关装置一起使用,可使乙炔气体的用量节省93%。
达伦的自动航标灯装置在各个航海国家广泛使用,产生了极大的社会经济效益。例如,在瑞典海域内的一个暗礁或沙洲上设置一个灯船,从前需要约20万克朗,一年的维修费用约2万5千克朗。现在采用达伦的装置,费用是9000克朗,每年的维修费用约为60克朗。达伦的乙炔aga存储器还广泛应用于铁路信号灯、金属切割和焊接等领域。
鉴于达伦在工程制造领域研究和应用上的伟大成就,瑞典皇家科学院决定授予他1912年的诺贝尔物理学奖。有些科学家对达伦的获奖颇有微词,认为他的工作只是工程师的工作。实际上制造是从材料到零件再到系统,最后形成应用产品的复杂过程。这里面既有大量的科学问题(如高锟理论上证明光纤传导信息的可行性),又有大量的技术难点(光纤高效传输信息的关键是光纤的材质,高锟和很多公司的课题组花了很长时间才得到足够纯度的光纤材料。达伦也是花了很长时间解决乙炔的吸收材料问题),还有产品整体的优化设计和零部件的制造工艺问题,任何一个小细节的处理不当或技术难点不能克服都可能导致研发的失败。一个好的有价值的产品需要工程科学家花大量的时间精力和智慧上的投入,有时候比写论文发表可能难度要大得多。
当今中国目前不仅需要玻尔、狄拉克这样的理论研究方面的大科学家,也需要象特斯拉、达伦、钱学森、王选这样的工程科技大师。如果我们给工程科学家更为宽松的生存环境和创造更为优越的条件,在目前的发展形势下,中国大陆本土第一个获诺贝尔奖的科学家很可能不是来自基础研究领域,而是来自工程科学领域。
在工程时代已经来临的今天,连诺贝尔奖评审委员会可能都在更新自己的评审标准,我们的科研评价体系是否应该不断改进,使之更加适应时代发展的要求?

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