魔力宝贝SF:炫酷技能展示,让你肆意释放!

admin 游戏资讯 2023-12-08 1561 0

珍珠和手机通信

各种各样的波在我们的世界里荡漾——有波长极长的无线电波,也有较短的可见光波,还有海浪、鲸歌的低沉声波和蝙蝠的超声波。这些波彼此重叠交叉,却互不影响。但这里有一种特殊情况:两道完全相同的波相遇时会发生特别的事。如果你正握着一颗彩虹色的珍珠,那么你会看到一个美丽的答案,但要是你想维持手机正常通话,就得尽量避免这样的情况。

你可以在大溪地和南太平洋其他岛屿周围的蓝绿色海水中找到大珠母贝(Pinctada maxima),它们生活在海床上,在几米深的海水中就能看到。进食的时候,大珠母贝会微微张开壳,每天它都会吸入一些海水。壳内的软体动物悄无声息地滤出有价值的食物微粒,再把过滤后的水重新排入大海。

哪怕从正上方游过,你也很难注意到大珠母贝。它们褐色的壳粗糙黯淡,毫不起眼。它们就像大海里默默工作的吸尘器,从没想过出风头,但埃及艳后、法国末代王后、玛丽莲·梦露、伊丽莎白·泰勒却都爱上了这些贝类阴错阳差制造出来的东西:美丽的珍珠。

在极偶然的情况下,某个刺激物会钻进贝壳里面。大珠母贝无法排出侵入的异物,所以它只好用一种无害的物质——构成贝壳内部涂层的那种物质——把异物包裹起来。软体动物通过这种方式来完成清扫,将侵入者化为自身的一部分。大珠母贝分泌的覆盖物由无数微小的薄片组成,生物胶将它们层层黏合、堆叠在一起。这个过程一旦开始就会自然而然地进行下去。最近人们发现,珍珠在成形的过程中可能每隔5小时就会翻转1次。潮水涨落,季节变迁,鲨鱼、蝠鲼和海龟在头顶来往穿梭,海床上的大珠母贝静静地过滤海水,在黑暗中孕育着体内旋转的珍珠。

直到多年以后,可怜的贝壳终于惨遭不幸——它被人类捞起来打开了。珍珠第一次接触到了阳光,光线在闪亮洁白的表面纷纷折返。事实上,珍珠的表面不足以反射所有阳光,部分光会穿透表层,在更深处发生反射,或者在珍珠内部折射数次,最后再回到空气中。

现在,我们来关注一下纯净的波(比如阳光里的绿色光波)以及和它相遇的同类波。不同波长的波不会相互影响,但相同波长的波可以发生叠加。以珍珠为例,表层和更深层都会反射绿光,那么一旦这几道反射光叠加在一起,得到加强,就会生成一道更亮的绿光。不过,以同样角度入射的红光却不会得到同样的叠加,反倒可能相互抵消,因为红光和绿光波长不同,红光的加强需要另选角度。

珍珠为什么这么美,让人类历史上的那些美人爱不释手?因为大珠母贝的分泌物形成了这样一种特别的结构,可以让光波大放异彩。同样颜色的多道光线可以在这里发生一点点错位,好让光波叠加(物理学家会说它们发生了干涉)。在某个角度,我们可能会看到珍珠洁白光滑的表面上闪烁着绿色的光,换个角度,我们也许会看到蓝色的光。在阳光下转动珍珠,不同颜色的光便闪烁起了动人的七彩色泽。人类珍视这样的光泽,因为它既稀有又美丽。

从物理层面上说,珍珠只是对不同的光波做了相同的处理,而你在旋转珍珠的时候可以看到不同光波的处理结果。而在我们看来,珍珠似乎可以自己发光,这让我们爱不释手。不久前人类已经开始尝试人工制造珍珠,不过直到今天,大部分珍珠依然是通过珠母贝培育出来的。

珍珠让我们看到了同一种波叠加的结果。有时候两道波的波峰和波谷会重叠起来,形成一道更强的波,朝某个特定的方向传播;有时候它们又会互相抵消,彻底消失。如果波的来源不止一个(请想象一下两粒石子在池塘里激起的涟漪叠加在一起),或是波发生了反射,都会形成新的模式。

不过,这又带来了一些问题。除了光波以外,其他相同的波叠加时又会发生什么呢?我们经常看到人们在嘈杂的公共场所各自握着手机打电话,彼此互不干扰。同一座城市里,成千上万的人使用的手机都通过同样的无线电波传递信号。“泰坦尼克号”沉没时,海上的无线电通信受到了严重的干扰,因为这片海域内有20条船正在使用同样频率的波发送信号。但是今天,光是一幢楼里可能就有100个人在同时用手机打电话,信号却依然畅通无阻。这是怎么做到的呢?

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请想象一下,你正站在高处俯瞰一座繁忙的城市。街上有个男人从口袋里掏出手机,碰了几下触摸屏,然后把手机举到耳边。假设你的眼睛有超能力,能看到不同波长的无线电波,它们在你眼中呈现出不同的颜色。绿色的涟漪以男人的手机为中心向四面八方扩散,手机就是最明亮的光源,涟漪越往外传播,颜色和亮度就变得越黯淡。

注意,100米外有一座移动电话基站,它探测到了这些绿色的光波,并对信息进行解码,识别了这个人要拨打的号码。接着,基站向目标手机发送信号,生成另一道绿色的涟漪——但它的颜色和先前那道无线电波有一点细微的区别。这就是现代远程通信的第一个秘密。

“泰坦尼克号”发送的信号实际上是不同波长的波混合形成的杂乱组合,但我们今天的技术已经可以精确地控制信号的波长。手机最初发出的信号波长是34.067厘米,而基站发信号使用的波长是34.059厘米。也就是说,手机和基站通信使用的波段可以精确到0.001厘米。我们的眼睛分辨颜色的能力都达不到这样的精度。

就像白纸上的红字和蓝字一样,这些波各行其道,互不干扰。男人在街上行走的时候,手机发出的绿光以特定的模式向外扩散,它携带的信号就这样传递出去。街对面的女人也在打电话,她使用的信号波长和刚才那个人只有一点点区别,但基站能分辨出这是两个不同的信号。政府批准的带宽总有一个频段范围,在这个范围内,只要硬件条件允许,手机网络运营商可以分隔出许许多多个具体的通信频率,对应不同的波长。以超人的视角俯瞰城市,你会看到无数明亮的光点,那是许多手机正在各自收发信号。建筑物会反弹这些信号,周围的环境也会缓慢地吸收信号,但大部分信号仍能顺利传到基站。

我们观察的那个男人沿着街道行走,离基站越来越远。这里出现了新的颜色。他前方的街道上出现了红色,那是下一座基站的波。上一座基站强大的绿色信号逐渐消失,男人的手机探测到了新的频率,于是它开始和新的基站建立通信。男人还不知道自己已经走到了“绿区”边缘,但他的手机已经默默切换了波长,开始发出红光。绿基站收不到这些信号,但新的红基站已经接手了任务。如果男人继续向前走,他可能还会进入黄基站或者蓝基站的覆盖范围。相邻的两座基站绝不会采用同样的颜色,但要是男人走得够远,他或许会遇到下一个绿基站。这是手机网络的第二个秘密。人们会控制手机的信号强度,以确保它只传到最近的基站。这意味着只要多拉开些距离,基站就可以重复使用同样的频段。两个绿基站发出的信号都不强,无法传到对方所在的位置,所以它们不会互相干扰。

信息在基站覆盖的区域不断地流进流出,不同区域互不干扰。我们之所以可以实现多人同时通话,是因为每个人使用的波长都略有区别。而在通信网络的另一头,接收方也不会搞混这些不同的信号。要是中间出了哪怕一点偏差,这些信号也无法完成任务。但现代技术达到了这样高的精度,我们可以通过最细微的差别来分辨不同的波。

我们每天就生活在这样的环境中。手机、无线网络、无线电台、太阳、加热器和遥控器激起的涟漪共享空间,从我们头顶飞过。这里还没算声波呢——大地发出的低沉声响、爵士乐、狗吠、牙医诊所用于清洁设备的超声波,还有我们吹凉茶水时激起的涟漪、海浪、地震带来的起伏……我们生活的地方时时刻刻都在制造各种各样的波。不少波可以帮助我们探测和揭示很多东西。从本质上说,这些波的性质完全相同。它们都拥有波长,会被介质反射、折射、吸收。只要理解了波的基本性质,领会了用波传输能量和信息的秘诀,那么你就掌握了现代文明最重要的工具。

2002年,我在新西兰基督城附近的一家驯马中心工作。一天晚上,电话突然响了,让我万分惊讶的是,这个电话居然是打给我的。那部电话有一台无绳分机,所以我拿着电话走出房间,坐在山坡上眺望薄暮中的新西兰乡村风光。电话那头是我的祖母。当时我差不多已经半年没回过英国了,而且一直没跟家里联系。祖母想跟我说说话,所以她在家里按下电话号码,立即就找到了电话另一头的我。祖母问我外面的食物吃不吃得惯,马儿的情况好不好,工作是否顺利。

我听着熟悉的乡音,却想到了别的事。我们的行星如此庞大,我所在的位置和我的家乡差不多正好分居地球的两端(两地直线距离12742千米,直飞里程至少有20000千米),但祖母却能通过电话直接跟我说话。要知道,我们之间隔着整整一个地球。这样的通话让我觉得十分神奇。如今,我们的星球上充满了各种各样的波。我们时时刻刻都在通过看不见的波与别人交谈。这是个了不起的成就,同时也有些怪异。马可尼等发明家的工作和“泰坦尼克号”沉没之类的事件推动了无线通信的普及,时至今日,人们已经对这类技术习以为常。我很庆幸自己出生得不早不晚,享受了这些伟大成就带来的便利,还会为此赞赏惊叹。我们的眼睛无法探测到这些波,而人类总是难以欣赏自己看不见的东西。不过下次打电话的时候,请好好想一想这件事。波真的非常非常简单。但如果能够好好利用它,我们可以把世界变得更小。

第6章 鸭子为什么不会脚冷-原子之舞-

盐和糖的真面目

盐是一种再平凡不过的商品,它总是默默待在橱柜里,从来不会成为人们关注的焦点。不过,如果你有机会近距离观察一撮盐粒,尤其是在明亮的光线下,你会发现它简直熠熠生辉。你凑得越近,盐的反光就越强烈。要是再有一个放大镜,你会看到盐粒的形状也是有规则的,它的表面几乎没有任何凸起。每一粒盐都是一个美丽的立方体,表面光滑平坦,边长约半毫米。这就是它闪耀的原因。

这样的表面会像镜子一样反射光线,如果在光下移动这撮盐,你的眼睛就会看到来自不同盐粒的反射光。盐罐子里平凡无奇的调料实际上由无数微型雕塑组成,每座雕塑的形状都一模一样。这不是制盐者有意为之的结果——盐会自然地形成规整的形状,我们从中看到了关于物质结构的蛛丝马迹。

盐的化学成分是氯化钠,这种化合物拥有等量的钠离子和氯离子。你可以把它们看成大小各异的球——氯离子的直径差不多是钠离子的2倍。在盐成形的过程中,每个离子都会在特定结构中拥有一个固定的位置。

你一定见过超市里的盒装鸡蛋,氯离子就像盒子里的鸡蛋一样整齐地排列成行,形成一张立体的网格,较小的钠离子就嵌在网格内的空间中。在这里,每个离子周围都会有6个不同类型的离子。盐晶体就是这样一张巨大的立体网格,网格的每一条边都由数百万个原子组成。这种晶体总是一层一层的,立方体的各个面始终保持平整。在原子的层面上,每种元素各安其位,完美无瑕。每个立方体的每一个平面都会像镜子一样反光。

我们看不到单个原子,却能看到它们组成的结构体现出来的样子。盐的整个晶体就是同一个模式不断地自我重复而形成的。盐非常简单,无论大小,盐粒内部的结构总是相同的。盐晶体光滑的反光表面之所以会存在,是因为在这套精确的网格系统中,每个原子必须出现在固定的位置。

糖也是这样的。近距离观察糖的晶体(尤其是颗粒较大的砂糖),你会看到更加美丽的景象。糖晶体是十二面体。糖分子由45个不同的原子组成,每个原子都有固定的排列方式。糖分子都长得一模一样,每一个糖分子都是晶体结构中的一块砖,不过这些砖块本身的形状非常复杂。和简单的盐晶体一样,糖分子也会以唯一特定的模式堆叠起来形成网格。我们同样看不到组成糖的原子,却能看到它们内在的模式,因为整个糖晶体是由同一个模式不断自我重复而形成的分子构建的一座摩天大楼。其表面也会像镜子一样反光,所以糖和盐一样晶莹闪亮。

面粉、大米和香料粉没有这么闪耀,因为它们的结构要复杂得多。这些食材由许多活生生的微型工厂组成,这些小工厂就是细胞。糖晶体和盐晶体之所以拥有平坦的表面,是因为它们结构单一,千千万万个原子以固定的模式排好即可。这两种物质的每一层都是对其他层的完美重复。当你舀起一勺糖放进茶里的时候,它的闪光总会提醒你这一点。

花粉和爱因斯坦

虽然无法直接看见原子,但我们能看到微观世界发生的事如何对我们的生活产生影响。不过首先,你得相信原子真的存在。

如今,我们觉得原子的存在天经地义。所有事物都由物质微粒组成,这个概念并不复杂,而且听起来很有道理,我们从小就一直听人这么说。但是,沿着历史的长河回溯,你会发现,就连1900年的科学界都没有完全确认原子的存在。那时候,摄影、电话和无线电的诞生已经拉开了技术时代的大幕,但“物质”到底由什么组成,人们仍未得出确定的结论。对很多科学家来说,原子的概念听起来很有道理。化学家早已发现,不同的元素似乎总是以特定的比例发生反应,如果从原子理论的角度去理解(比如,形成一个分子总是需要一个A原子和两个B原子),那么这个问题就有了合理的解释。但总有人有所疑虑:你该如何确认这么小的东西真的存在呢?欢迎加入书社,每日海量书籍,大师课精彩分享微信:dedao555

几十年后的一句名言完美地概括了科学发现的典型过程,这句话出自科幻作家艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)笔下:“在科学界,最激动人心的一句话,最有可能通往新发现的一句话,并不是‘我知道了’,而是‘唔……这很有趣……’”原子的发现完美地印证了这句话,不过这个过程花费了差不多80年。

我们从1927年开始讲起,当时一位名叫罗伯特·布朗(Robert Brown)的植物学家正通过显微镜观察悬浮在水中的花粉。有一些极小的微粒从花粉上脱落下来,这差不多是古往今来的光学显微镜能观察到的最小的东西。罗伯特·布朗发现,尽管水几乎完全静止,但这些微粒仍会在水中振动。起初他觉得这些微粒是活的,但是不久后他又在无生命的物质上观察到了同样的现象。这很奇怪,布朗找不到合理的解释,但他记录下了这件事。随后的几十年里,又有很多人观察到了同样的现象。这种奇怪的振动被称为“布朗运动”。它永远不会停止,而且只有最小的微粒才会表现出这种性质。人们提出了各种各样的假说,但谁也没有真正解开谜团。

1905年,瑞士的一位专利局职员以自己的博士毕业论文为基础发表了一篇新论文。此人就是大名鼎鼎的爱因斯坦。他最广为人知的成就当然是他对时空特性的研究,也就是狭义相对论和广义相对论。但他博士论文的主题是用液体测定分子的大小。在1905年至1908年,爱因斯坦为布朗运动做出了严谨的数学解释。

他提出了一个假说:液体由大量分子组成,而且这些分子总在不断地发生碰撞。根据爱因斯坦的理论,液体是一种无固定结构、动态变化的物质,液体分子时时刻刻都在彼此碰撞,每一次碰撞都会让分子的速度和方向发生变化。那么,如果液体中出现了一种比分子大得多的粒子,它会遭遇什么?显然,较大的粒子会受到更多粒子的撞击。由于这些碰撞完全是随机的,所以有时候粒子某个侧面遭到的碰撞更加猛烈,于是它会向相反的方向移动一点点。紧接着,如果向上的随机碰撞超过了向下的碰撞,粒子又会向上移动一点。因此,大粒子的振动背后是成千上万个小得多的分子的碰撞。罗伯特·布朗看不到这些分子,但能看到较大的花粉微粒。爱因斯坦的描述完全吻合布朗的观察结果。既然如此,那么液体的确由大量不断碰撞的分子组成,单个的物质小团(原子)也必然存在。更棒的是,爱因斯坦还根据人眼观察到的振动预测了原子的大小。

1908年,法国物理学家让·佩兰(Jean Perrin)通过实验进一步验证了爱因斯坦的理论,他提供的新证据彻底堵住了怀疑者的嘴巴。世界的确由无数微小的原子组成,这些原子总在不停地振动。这两个发现互为表里,密不可分。原子的持续振动也不是偶然事件,后来我们发现,这可以解释宇宙中一些最基本的物理法则。

湿衣服和煎奶酪

确认了原子和分子的存在以后,我们就必须运用统计学手段来解释布朗运动之类的现象。你无法追踪单个原子的运动,也无法精确计算两个原子相撞时到底发生了什么,更无法追踪一滴液体中的数十亿个原子。我们只能从统计学的角度计算无数次随机碰撞可能造成什么结果。你不能断言布朗运动中的粒子一定会在某一刻向左移动1毫米,但你可以说,如果重复实验的次数够多,那么平均而言,某个粒子最后的位置可能会比初始时刻偏移1毫米。你可以非常精确地计算平均值,但也仅止于此。与1850年相比,现在的物理学变得复杂了,也变得清晰了。一旦你知道了原子的存在,许多司空见惯的东西都会变得有趣起来,比如湿透的衣服。

我第一次与BBC(British Broadcasting Corporation,英国广播公司)合作时参与了一档介绍地球大气和全球天气模式的节目。拍摄过程中,我体验了三天印度的雨季。这种气候现象规模很大,在全世界都很有名。印度每年都会出现周期性季风,在6月到9月引发大量降雨。我们之所以会去印度,正是为了介绍这么多水都是从哪儿来的。

我们驻扎在一栋小木屋里,木屋坐落在印度最南端喀拉拉邦一处非常安静的海滩上。拍摄的第一天显得格外漫长。雨季天气多变,而我们拍摄特定素材的时候需要天气状况在几个小时不变,这就很麻烦了。明明刚才还是烈日当空,紧接着就是持续一个小时的暴雨,然后狂风刮来,艳阳又回到了空中。不过那里一直很暖和,所以我也不太介意淋雨。要是又湿又冷,那就完全是另一回事了。每次一下雨我都会被淋得浑身湿透,然后就得赶紧想办法弄干衣服,不然等到太阳出来了没法接着拍摄。作为需要入镜的人,我的难题在于每次出现在镜头上的时候我都得穿着同一件衣服。我找了个头顶有遮蔽物又能照到阳光的角落晾衣服,但穿穿脱脱几次下来,我感觉并没有多少时间真的在拍摄。我就这样费力地配合着节目需要,然而大约晚上7点的时候,天气又有了变化。这时太阳已经下山,我们只能收工。

我用力拧一拧,再拿毛巾擦一擦,湿透的上衣和短裤变得只是有点潮了。把衣服挂起来以后,我就去吃晚饭了。这两件衣服一直在外面晾到了第二天早上6点,也就是我们起床开工的时间。不过,当我把短裤收回来的时候,我发现它还是有点潮——甚至比前一天晚上更湿。不光是潮,衣服还变得很凉,因为晚上外面的气温很低。真糟糕!但我没有准备一模一样的衣服,所以只能重新穿上原先那一身,然后迎着朝阳在海滩上行走,试图让自己看起来还算精神,而不是冻得瑟瑟发抖。

一般而言,气体分子之间几乎不存在任何引力,所以无论容器有多大,它们都会向外扩散,填满整个空间。液体的情况就有点不一样了。液体分子也会像气体分子一样互相碰撞,但分子之间的距离拉近了很多。室温下,空气中气体分子之间的平均距离大约是单个分子长度的10倍。可是在液体里,分子之间几乎没有空隙。这些分子不断碰撞、振动,它们仍在运动,但速度比气体分子慢得多。所有这些决定了一点,液体分子更容易相互吸引,抱团形成液滴。分子的活跃程度也和温度有关。液滴的温度较低,分子运动的速度也较慢,此时它们更像是在贴着彼此挤来挤去。如果加热液滴,那么所有分子的平均速度都会变快,部分分子得到的能量会比别的伙伴多。

分子要想逃离液体,变成气体飞走,就需要足够的能量来摆脱其他分子。这个过程叫作蒸发。得到了足够从液体中逃离的能量,分子就会飘起来进入空气。我湿漉漉的衣服里有很多液态水,分子在液体中懒洋洋地运动,却没有足够的能量逃离这个环境。

在那三天里,我把弄干衣服的办法试了个遍。要把衣服晾干,你得创造一个环境,让液态水分子有机会得到足够的能量,这样它们才能飘走。在烈日炙烤大地时,液态水会吸收太阳的能量,水分子开始慢慢逃逸。而等到云层再次遮蔽太阳,我又陷入了必败的苦战。问题在于空气里的水实在太多,因为这里有来自大洋的湿润海风。太阳照在温暖的海面上,表层海水的温度上升,大海里的水分子也活跃了起来。海水的温度越高,分子运动速度越快。随着海面温度的升高,越来越多的分子得到了足够的能量,从液态变成了气态,而温暖潮湿的海风又把它们吹向陆地,吹到我们身边。

穿上被雨水浇湿的衣服,我的体温会加热衣服,让衣物中的部分水分子得到足够的能量蒸发出去,于是衣服会比原来干一点点。可是,空气中满满的水分子总有一部分会撞上我的衣服,然后沾在上面。有了这些生力军的加入,衣服又变得更湿了。衣服之所以老是干不了,是因为蒸发的水分子正好平衡了重新凝结的液态水。也就是说,这里的湿度达到了100%——每一个蒸发的水分子都会被另一个凝结的水分子取代。如果湿度低于100%,那么蒸发的分子数量就会大于凝结的分子数量。这个差值越大,衣服就干得越快。

晚上的情况更糟。随着气温降低,所有分子的运动速度都变慢了。空气里有些水分子变得迟缓,如果它们恰好碰到了我的衣服,就会变成液体分子赖着不走,而衣服里本来就有的水也很难蒸发出去。如果凝结的水分子多于蒸发的水分子,那么温度就达到了露点,这里的“露”指的是“露珠”。这种情况下,依然有一部分水分子可以蒸发掉,但在数量上比不上凝结的水分子。如果我能设法加热衣服,那么就能增加蒸发的水分子数量,也许足以扭转态势,让衣服变干。然而事与愿违,我只能和整个印度一起浸泡在湿漉漉的雨季里。

重点在于,这样的过程时时刻刻都在进行。观察某一个分子是蒸发还是凝结,这对于一件衣服的状态没有什么帮助。不过,如果从统计学的角度观察分子的变化,就算每个分子总在做不同的事情,我们也可以最终发现蒸发和凝结达到平衡的结果。

一团分子中不同的个体表现不同,这一点有时候非常有用,比如,汗水蒸发时,逃逸的都是那些携带能量最多的分子,而留下来的分子则相对安稳,所以出汗有利于降温,因为逃逸的分子带走了大量能量。

一般而言,衣服变干的速度很慢,这是个平缓的过程。在水面上,某个能量特别多的分子突然得到了足够逃逸的能量,于是它飘了起来。不过在另一些时候,蒸发的过程比这激烈得多。狂暴的蒸发有时候也很有用,尤其是在做饭的时候,比如,“炸”这种烹饪方式就与水密切相关。

哈罗米奶酪是我最喜欢的油炸食品,我一直觉得它在素食者心目中的地位相当于食肉者眼里的培根。它的制作过程如下:先把油倒进平底锅,过一会儿再放入弹性十足的奶酪。油温静静地升高到了180℃左右,但除了散发热量,锅里的油和刚才并没有别的不同。不过,就在第一块奶酪进锅的瞬间,响亮的噼啪声打破了原来的平静。奶酪刚一接触热油,它的表层温度就在几分之一秒内升高,达到和油温接近的程度。奶酪表面的水分子突然从热油中得到大量的能量,远远超过了液体蒸发的需要。于是,这些水分子在汽化的同时快速膨胀,产生一系列规模极小的爆炸,在奶酪表面上形成一个个肉眼可见的气泡,这就是那一阵噼啪声的来源。

这些气泡还起着重要的作用。上面提到的过程会将油阻拦在奶酪的表面,使其无法浸入奶酪内部。传入奶酪的热量也得到了限制。如果油温过低,气泡形成的速度不够快,那就没法把油挡在外面,最后食物会被油浸透,变得十分油腻。在我们油炸奶酪的过程中,部分热量进入奶酪内部,让内里变热。外层则被高温剥夺了大量水分,被炸干了,变得脆脆的。奶酪中的蛋白质和糖在受热后发生化学反应,制造出迷人的焦褐色。从液态水到蒸汽的突然变化是油炸的核心。只要你在烹饪中操作正确,油炸食品一定会发出响亮的噼啪声。

海冰和“前进号”

我们周围随时都在发生气体与液体的相互转换,但液体和固体的转换就没那么常见了。大多数金属和塑料的熔点都远高于日常温度,而氧、甲烷和酒精之类的小分子熔点又很低,要让它们凝结成固体,甚至需要特制的冰箱。相比之下,水的性质相当特殊,因为水结冰和蒸发的情况都很常见。不过,说到冰冻,大多数人立即就会想到南极和北极。那里总是洁白一片,严寒难耐,完全不适合居住,前往南北极的旅程堪称20世纪人类最伟大的冒险。冻结的水给探险家们造成了很多问题,不过有时候,它也会带来出乎意料的解决方案。

物质从气态变成液态的关键在于,分子的距离需要近到足以发生接触,却又能自由地相对流动。而液态变成固态时,分子的位置彻底固定了下来。水结冰就是最常见的例子,其实水结冰的过程相当独特。在冰天雪地的北极,我们可以清晰地看到其中的古怪之处。

如果有机会前往挪威最北方,站在海岸边向北远眺,你就能看到北冰洋。夏天,24小时不间断的阳光滋养着微型海洋植物形成的森林,季节性的自助盛宴引来了鱼儿、鲸和海豹。夏天慢慢过去,阳光也越来越苍白无力。

哪怕在夏天最热的时候,北冰洋的海面水温最高也只能达到6℃,随着极昼结束,这个温度还会下降。水分子的运动开始变慢。这里的水盐度很高,所以哪怕水温降到-1.8℃,它也能保持液态。在一个晴朗漆黑的夜晚,海水终于还是开始结冰了。或许最开始只是有一片雪花飘落在海面上,那些运动速度最慢的水分子一撞上雪花就跑不了了。不过,水分子附在雪花上的位置并不是随机的,每个新来的分子都会有一个合适的位置,原本杂乱无章的水分子逐渐形成晶体,每个分子都在六角结晶中找到了属于自己的角落。随着温度进一步下降,冰晶开始生长。

水结晶的过程有这样一个奇特之处:原本左冲右突的分子形成了有规律的固定结构,与此同时,它们占据的空间也变大了。绝大多数分子在站好队、变成固体时,分子间的距离都会缩小,水却不是这样。冰的密度小于周围的液态水,于是它漂了起来。正在凝结的冰层不断增大面积。如果冰的密度大于水,那么新形成的冰就会沉到水底,极地附近的海洋也会呈现出截然不同的另一番面貌。但在现实中,温度越低,冰层覆盖的范围就越广,海洋披上了一层白色固态水外套。

冰封的北冰洋上有许多令人叹为观止的东西:北极熊、冰和北极光。我尤其钟爱北极的一段历史故事,这个故事生动地体现了水凝结成冰的独特之处,也展示了人类与自然合作而非对抗的历程。故事的主角是一艘矮墩墩的小船,它熬过了极地探险史上最艰苦的旅程,它的名字是“前进号”(Fram)。

19世纪末,探险家纷纷盯上了北极,这片土地离西方文明的距离已不再遥远。加拿大、格陵兰、挪威和俄罗斯的最北部都已有人踏足并完成了初步测绘,但北极点仍笼罩在未知的迷雾中。那里是陆地还是海洋?没有人到过北极点,所以谁也不知道答案。探险之旅失败了一次又一次,因为海冰总在不断地扩张、收缩和转移。有时,天气变化还会让海冰堆积起来,形成冰脊和裂缝。冰层的推挤足以将船只碾为齑粉。

1881年,美国军舰“珍妮特号”(USS Jeannette)在西伯利亚北海岸外的海冰中困了好几个月,对那个年代的北极探险船来说,这样的遭遇简直就是家常便饭。天气越来越冷,海水分子不断加入冰层,扩张的冰层紧紧冻住了船壳。接下来的几个月里,海冰在凝结和融化间反复,一下一下挤压船身。“珍妮特号”不堪重负,最终解体。被迫弃船的探险家们还将面临新的危险:海冰可能融化形成一片汪洋,不乘船就别想离开。北极圈周围所有国家的领土离冰雪世界都有好几百千米的距离,变幻莫测的海冰成了横亘在探险家们面前的天堑。

“珍妮特号”失事3年后,它的残骸被冲到了格陵兰岛附近。这是个令人震惊的发现,谁也没想到船只的残骸竟能穿越整个北极圈,从极地的一边漂流到另一边。海洋学家开始思考:是否有一条洋流从西伯利亚岸边一路穿越北极直达格陵兰?

挪威一位名叫弗里乔夫·南森(Fridtjof Nansen)的年轻科学家由此产生了一个大胆的想法。如果能造出一艘不会被冰碾碎的船,他就可以乘着这艘船前往西伯利亚“珍妮特号”沉没的地方,故意让这艘船陷入海冰的包围之中。3年以后,他或许会出现在格陵兰。关键在于,他在这趟旅程中可能会路过北极点。不需要艰苦跋涉,不需要扬帆远航,冰和海风自然会替你完成这项壮举。唯一的问题是,这需要耐心等待。这个主意传出去以后,有些人将南森奉为天才,还有一些人觉得他是个疯子。但无论如何,他都已经下定决心。南森筹了一笔钱,雇来了当时最优秀的造船工程师,因为这艘船必将不同于以前的任何船只。“前进号”就这样诞生了。

这里难点在于,水冻结成冰时,水分子在规则的结构中排列整齐。只要温度够低,它们就会一直停留在原地。如果周围没有足够的空间容纳它们,这些分子就会想尽一切办法向外扩张,不惜推开任何挡道的物体。困在海冰中的船只必将面临这样的窘境:周围的冰层不断扩张,船只的容身之地越来越小。船只无法承受这些冰的挤压,而且北冰洋中央的冰层厚度可能远超人们的估测。

“前进号”以一种极其简单的方式解决了这个问题。这艘船设计得圆乎乎的,长39米,宽11米,船壳呈光滑的弧形,几乎没有使用龙骨,发动机和船舵可以直接抬升到水面上。冰挤过来的时候,“前进号”就变成了一个漂浮的大碗。如果你试图从下方挤压一个弧形底的器皿,那么它一定会向上运动。按理来说,如果来自海冰的挤压力量太大,“前进号”会被挤到冰面上,但不会损坏。这艘船是木制的,某些位置的木材厚达1米,船身的隔热效果也很好,舱内的船员不会受冻。1893年6月,“前进号”在万众期待之下载着13位船员离开了挪威,驶过俄罗斯北部海岸,来到“珍妮特号”沉没的位置。9月,它在北纬78°附近遇到了海冰,不久后,它就被海冰包围了。刚刚被冰围起来的时候,“前进号”发出吱吱嘎嘎的呻吟声,不过随着冰层的膨胀,它的船身渐渐被抬了起来,和工程师预计的完全一样。被海冰封冻的“前进号”就这样踏上了计划之中的旅程。

接下来的3年里,“前进号”随着海冰一起向北漂流,它移动的速度慢得惊人,每天只能前进约1.6千米,有时候还会倒退或者原地打转。周围的冰块不断推挤然后放松,“前进号”的船身也随之起伏不定。在此期间,南森一直在指挥船员进行各种科学测量,但缓慢的进展让大家越来越不耐烦。“前进号”抵达北纬84°的时候,人们已经非常清楚,它永远也到不了410海里外的北极点了。南森带着一位搭档离开船只,驾着雪橇试图前往“前进号”无法抵达的区域。

南森创下了北极探险的新纪录,但他最后到达的地方离北极点还有4°。接下来,他穿越北冰洋前往挪威,并于1896年在法兰士约瑟夫地群岛遇到了另一位探险家。“前进号”载着剩下的11位船员继续顺着海冰漂流,它最远到达过北纬85.5°,距离南森创下的新纪录只有几千米。1896年6月13日,这艘船在斯匹茨卑尔根岛附近挣脱了海冰的束缚。

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虽然“前进号”不曾抵达北极点,但它在旅途中留下的科学测量记录仍是一份无价的宝藏。人们由此知晓,北极是一片大洋而非陆地,北极点隐藏在变幻莫测的海冰层下,俄罗斯和格陵兰之间的确存在一条洋流。后来,“前进号”又载着船员完成了另外两次伟大的航程。第一次是在加拿大北极地区的测绘探险,为期4年。第二次是在1910年,它载着阿蒙森和他的队员前往南极,最后他们抢在斯科特船长之前到达了南极点。

今天,“前进号”静静地安放在奥斯陆的博物馆里,它已经成为挪威极地探险最伟大的标志。通过这艘船我们可以看到,人类没有硬生生地对抗海冰,而是借助它的力量,成功抵达了世界之巅。

冰块、玻璃和体温计

我们太熟悉冰了,甚至忽略了冰的膨胀。饮料里的冰总会浮起来,这样理所应当的场景就在告诉我们,冰比水密度低。我们还可以看到,结了冰的水依然是水,只不过会占据更多空间。如果你在透明的玻璃杯里倒一些水,然后加入几块比较大的冰,你会发现冰块大部分都在水面之下,只有大约10%的部分露在上面。你可以用记号笔在玻璃杯外面画一条线,记录此时的液面高度。问题来了:随着冰块慢慢融化,杯子里的水面会上升还是下降?冰块融化后,冻结的水分子全都会融入液体。这是否意味着水面将会上升?这个物理学游戏很适合鸡尾酒派对,只要你有足够的耐心(或者足够无聊),盯着杯子里的冰块看它融化。

答案很简单:水面的高度不会有任何变化。如果不相信的话,那你大可亲自尝试。冰块里的分子变成液体以后,它们之间的距离会变得更加紧密。刚融化的液体正好能填满它们作为冰块在水面之下占据的空间。之前冰块露在水面上的部分正是结冰后多出来的体积。你看不到紧密排列的原子,但是你可以看到它们结冰时额外占据的空间。

从液态变成固态,意味着散漫的水分子排好了队,组成了晶体结构。虽然这种晶体并不像王冠上的水晶一样闪闪发光,但它的确也是晶体。晶体内部的原子、离子、分子按固定方式排列。盐和糖都符合这个条件。

另一种固体内部的分子排列没有这么严格。这些固体在凝固的时候显得更加随心所欲。原子的排列都发生在微观世界里,我们根本不可能凭肉眼看见。不过有时候,我们完全可以通过宏观物体看到微观结构造成的影响,最明显的例子就是玻璃。

还记得8岁的时候,我和家里人一起去怀特岛旅行,在那里我第一次看到了吹玻璃的人。熔化的玻璃团闪闪发光,圆滑可爱,一刻不停地改变着形状。我瞬间就深深地迷上了这一幕,最后大人们不得不把我拖走,否则我能盯着这巫术般的场景看上整整一天。在工人的努力吹制下,玻璃团先变成气泡,又变成花瓶。直到很多年后,我才有了一个梦想成真的机会:我可以亲自尝试吹制玻璃了。2016年,一个寒冷刺骨的清晨,我和一位表亲走进了一座石头谷仓,在这间小作坊里,神秘的大幕即将拉开,魔术背后的秘密呼之欲出。

起初,一摊熔化的玻璃被装在一个小炉子里,发出明亮的光,因为它的温度达到了1080℃。在特制手套的保护下,我们小心地把长铁棍伸进玻璃池塘搅动,蜂蜜般黏稠的液态玻璃开始黏附在铁棍上。我们加热玻璃让它变软,静置液态玻璃,让重力拉着它向下滴坠,如果铁棍是中空的,还能在熔化的玻璃里吹泡泡。这些步骤比较简单,后面的工作会越来越难。

我们轮流练习了以上几项工作,并且惊讶地发现玻璃会以极快的速度自然变化。当玻璃离开炉子的时候,你必须用好铁棍,因为这时的玻璃很容易滴到地上。几分钟后,我们就能在金属工作台上擀压这团玻璃了,现在它的黏度和橡皮泥差不多。仅仅3分钟后,它会在工作台上发出清脆的响声——“叮”——和你印象中的固态玻璃一模一样。有趣之处在于,处理玻璃时,你摆弄的是顺滑柔软的液体。冰冷的固态玻璃只是变硬后的形态,就像童话里被冻结在时间里的人物一样。

玻璃的特质和内部原子的运动方式有关。我们吹制的是最常见的玻璃,也就是钠钙玻璃,它的主要成分是二氧化硅(SiO 2),这也是沙子的主要成分,但这种玻璃还含有少量的钠、钙和铝。玻璃内部的原子并未形成规则的队列,而是错综复杂地互相结合。每个原子都和周围的原子紧紧相连,没有太多自由空间。玻璃受热时,这些原子更是乱成了一锅粥,它们开始缓慢地分开。由于原子最开始就没有固定的位置,所以它们可以轻而易举地彼此滑动。我们把玻璃从炉子里倒出来的时候,玻璃内部的原子携带着大量热能,在重力的作用下很容易向下滑落。随着原子在空气中逐渐冷却,它们运动的速度会放缓,彼此间的距离变短,液体变得更加黏稠。

玻璃的妙处在于,在冷却的过程中,原子没有足够的时间形成规整的结构,所以它们索性顺其自然。原子间的距离变得越来越小,相对运动变得越来越慢,直至彻底停止,液态的玻璃也就变成了固体。你甚至很难说液态玻璃与固态玻璃之间有什么确切的界限。

我们的第一个任务是每人做一件小器皿,这真是个冠冕堂皇的说法。实际上我们只是一人吹了个玻璃泡泡,然后看着老师在每个泡泡上加了个熔化的玻璃环。吹泡泡的活儿不好干,我的腮帮子鼓得生疼,感觉就像拼命吹了个特别厚的气球。最需要技巧的是最后一步:把做好的器皿从铁棍上取下来。

经过一番拉扯和塑形,我的作品上留下了一段细细的颈,按理说事情就要收尾了。用锉刀在这段颈上磨出纤细的裂纹,然后把它送上成品工作台,轻轻敲击铁棍,玻璃器皿就会安稳地落下来。但是真动起手来,事情又没这么简单。新产生的裂纹迫不及待地急速扩大,导致器皿直接从铁棍上掉了下去。此时玻璃没有完全冷却,所以它两次从地板上弹了起来。老师赶快把它捡了起来,这件作品安然无恙,但脆弱的玻璃膜已经变了形。要是这玩意儿掉下去的时间再晚一分钟,玻璃的温度再下降一点点,那它铁定会摔个粉碎。

这就是玻璃的启示。原子的行为和温度有关。高温可以让原子自如地动起来。冷却冷却,原子们会更靠近,这时候玻璃能在地上弹跳。再冷却一些,原子就会完全站住。这时,任何变数都会在这脆弱的固体上制造出裂缝,这时候玻璃很容易被砸碎。

玻璃有着液体之美,但它又不像水那样难以控制。事实上,尽管软化的玻璃很像液体,但它却是如假包换的固体。水泥地面上的弹跳泄露了这个秘密:固体才会有弹性,液体不可能具备这种性质。重点在于玻璃这种结构带来的特性:温度的变化很容易改变材料的表现。

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现在我们或许应该澄清一下与玻璃窗有关的诸多流言。有人说,有300年历史的玻璃窗下半部分要比上半部分厚,因为随着时间的流逝,玻璃会缓慢地向下流动。这完全是无稽之谈。玻璃不是液体,它根本不会流动。之所以会出现下厚上薄的情况,是因为这些玻璃窗采用了一种非常精妙的制作工艺。人们将熔化的玻璃团绞在铁棍上,棍子以极快的速度旋转,将玻璃团摊成平坦的圆盘。等到圆盘冷却下来,人们就会把它切割成窗玻璃。这种工艺的缺点在于,圆盘靠近中央的部分总会比外面厚一些,所以将它切割成玻璃窗以后,总会有一头要厚一些。人们在装玻璃窗的时候总爱把较厚的那头朝下安装,这样有利于快速排干雨水。所以,玻璃并没有向下流动,它本来就是那样的。

我们的玻璃器皿并没有直接放在外面冷却,而是被送进了回温炉过夜。炉子的温度会在整整一夜的时间里缓慢地降低,直至清晨到达室温。之所以要这样做,是因为即便玻璃凝成了固体,原子的位置仍然不是完全固定的。加热某件物品,即便升高的温度不足以让它从固体变成液体,内部的原子排列依然会发生细微的变化。玻璃器皿冷却时也会发生同样的事情:原子会发生位移。我们之所以需要回温炉,正是为了让这样的位移来得尽量舒缓一些、均匀一些。否则,失衡的力可能会让玻璃碎裂。这里有一条简单的定律:原子的位置或许是固定不变的,但相邻原子之间的距离却不是。受热的物体会膨胀。

现代的电子测量设备能带来许多便利,但也有不利的一面:离开了原始的测量手段,我们逐渐忘记了这些量度的本意。其中最令人伤感的例子就是玻璃温度计被电子温度计替代。

过去250年间,玻璃温度计一直是实验室和普通家庭的基本测量工具。现在你还能买到玻璃温度计,我在实验室里也使用它,但在很多地方,人们已经改用电子温度计。儿时记忆中闪闪发亮的水银柱早已被红色酒精取代,但从本质上说,现代温度计与华伦海特(Fahrenheit)在1709年发明的设备并无区别。

华伦海特的温度计实际上是一根中空的细玻璃棍,其中一端膨胀形成一个小囊,里面装满了液体。将温度计的这一端放进需要测量温度的东西(比如洗澡水、腋窝、大海)里,你就可以优雅而便捷地完成任务。

温度越高,物体分子和原子运动越活跃,携带能量也越多。假设你把温度计放进浴缸,冰冷的玻璃管被热水包围,那么热水中快速运动的分子会撞击玻璃,把能量赋予玻璃的原子,让后者活跃起来。玻璃里面的原子不会乱跑,却可以在原地剧烈振动。就这样,玻璃的温度升高了。玻璃里的原子又会在活跃的振动中冲撞液态酒精分子,再次传递能量。于是,温度计的小囊开始升温,最后温度等同于浴缸里热水的温度。

所有物品在受热时都会膨胀,因为活跃的分子和原子需要更大的活动空间。但酒精分子膨胀的幅度比玻璃大得多。同样的温差下,酒精体积膨胀的幅度大约是玻璃的30倍。现在,小囊里的酒精需要更多的空间,于是它只能进入中空的细管里。酒精在管内上升的距离与酒精分子的受热情况直接相关,温度计上的刻度会做出合适的标定。如果小囊里的液体冷却下来,酒精分子运动速度减缓,需要的空间也随之缩小,达到的刻度线也会降低。一切就是这样精妙,通过玻璃温度计上的刻度,你可以直接读出原子无规则运动的剧烈程度。

不同材料受热后的膨胀率不同。打不开果酱瓶盖的时候,你可以用热水冲一冲整个瓶子。玻璃瓶身和金属瓶盖都会膨胀,但金属的膨胀率远大于玻璃。因此在受热之后,瓶盖更容易打开。尽管这些物体体积的变化小得微不可察,但你能够清晰地感受到变化的结果。

一般来说,固体受热时的膨胀率小于液体。这种膨胀看似微不足道,实际上可以产生很大的影响。下次步行经过公路桥的时候,你不妨注意一下,桥上每过一段距离就会有一道横贯路面的金属条。它可能由两块互相咬合的梳状金属板拼成。这是工程师为桥面膨胀预留的伸缩缝。你会发现这样的东西几乎无处不在。伸缩缝的意义在于,随着温度的升降,这根金属条允许桥面建筑材料发生轻微的膨胀和收缩,而不影响桥面的平整。如果桥面膨胀,梳板的榫齿就会咬合得更紧;要是桥面收缩,榫齿就会松开一些,但不至于出现大的裂缝。

对温度计来说,受热膨胀非常实用,但在别的地方,这可能造成严重的后果。海平面上升就是这样的一个问题。由于温室效应,目前全球海平面上升的速度大约是每年3毫米,而且这个速度正在逐年加快。随着冰川和冰盖逐渐融化,曾经被封锁在陆地上的水正在回归海洋,所以整体而言,全球的海水总量正在增加。不过,这部分水对海平面上升的贡献大约只有总量的一半,另一半要归因于受热膨胀。海洋变暖,海水必然需要占据更多空间。目前最准确的估计是,全球变暖产生的额外热量大约有90%最终被海洋吸收,导致海平面上涨。

鸭子的绝活

南极高原的秋天静谧而安宁。北半球正沐浴在夏日的阳光中,南极大陆却被极夜的黑暗笼罩。在横贯这片高原的高山上,长达数月的极夜才刚刚开始。这里几乎没有雪花飘落,但地表的冰层厚度仍然达到了600米。这里的天气格外平静,来自大地的热量不断流失到星夜之中,没有任何阳光来弥补损失的能量。热量的入不敷出带来了超乎想象的低温,在这片高海拔山区,冬季气温时常徘徊在-80℃左右。2010年8月10日,某一片山麓的气温甚至下降到了-93.2℃,这是地球上有记录可查的最低气温。

雪花由细小的冰晶组成,而组成冰晶的是排列整齐的原子,这些原子会在原地振动,振动和能量、温度息息相关。如果要问最冷的冰有多冷,这里可以给出一个直白的答案:所有原子都静止不动的时候,物质就达到了最低温度。

要知道,至少在我们这颗星球上,即便是在没有光也没有生命的极寒之地,原子依然在发生微弱的振动。整个南极高原都由颤动的原子组成,如果将这里的温度提升到0℃,那么需要让现有能量翻倍。如果你设法剥夺一切能量,原子就会达到最低温度,也就是“绝对零度”,即-273.15℃。在这个温度下,无论周围是什么条件,任何原子都会彻底停止运动,也不再拥有任何能量。与绝对零度相比,哪怕是地球上最冷的南极洲之冬也相当温暖了。

不过,让原子彻底停止运动其实非常困难。你必须花费很多心思来确保周围的任何物体都不会传来能量,有一点差池就会前功尽弃。尽管如此,仍有科学家殚精竭虑,想尽一切办法消除物质中蕴含的能量。这些科学家研究的是低温物理学,这并不像听上去那样没有实用性,医学成像技术的发展就得益于这类研究。

大多数人哪怕只是想一想极低的温度也会觉得很不舒服,看着鸭子赤脚在冰水里游来游去,你不免总会有几分困惑。

温切斯特是英格兰南部一座可爱的小城,城里有一座古老的大教堂,还有几家正宗的英式茶馆。漂亮盘子里装着分量十足的司康饼。夏天,五彩缤纷的花朵和蔚蓝如洗的天空将小城装点得像明信片一样漂亮。有一年,我和一位朋友在飘雪的冬日去了一趟温切斯特,结果发现了更加美妙的东西。我们把自己裹得严严实实,沿街一路向前,最后走到了一条小河边。河畔无人沾染的雪地仿佛两条洁白的毯子。在温切斯特,我最喜欢的不是那些石头建筑,也不是亚瑟王的传说,更不是司康饼。在那个冰寒彻骨的冬天,我执意拽着朋友去看的东西其实再平凡不过:我想看的是河里的鸭子。我们沿着河边小道在雪中艰难地走了一小段路,终于看到了此行的目标。

就在我们到达的时候,正好有一只鸭子摇摇摆摆地走过河边最后一段冰面,义无反顾地跳进了水里。然后它和周围的所有同伴一样,开始迎着流淌的河水,一边飞快地划动脚掌,一边低头在水中寻找食物。这一段河道相当狭窄,河水流速很快。鸭子在水下不深的地方就可以找到食物,但必须全力划水才能停留在原地进食。温切斯特的小河就是鸭子的跑步机,它们对这个游戏乐此不疲。所有鸭子面朝同一个方向不断划动脚掌,仿佛永远都不会停止。

我们旁边的一个小女孩低头看了看自己被雪覆盖的靴子,然后指着站在岸边冰面上的鸭子,问了妈妈一个特别棒的问题:“它的脚为什么不会冷呢?”妈妈没有来得及回答,因为就在那一刻,真正精彩的一幕出现了。一只鸭子不小心游得离同伴太近,由此引发了一场混乱。两只鸭子嘎嘎乱叫,拍打着翅膀,激得水花四溅。有趣的是,混乱让这两只鸭子都忘了划水,所以它们双双被河水冲往下游。几秒钟后,它们突然发现自己漂远了,于是这两只鸭子又迅速忘记了彼此的恩怨,开始奋力划水、逆流而上,试图回到刚才的位置。这耗费了它们不少时间。

河水的温度几近冰点,但这些鸭子似乎一点也不觉得冷。在那冰冷的水面下,鸭子拥有脚部保暖的独门秘方。要解决的关键问题关乎热的传递。如果你把高温物体放在低温物体旁边,那么高温物体中运动速度较快、携带能量较多的分子或原子必然会冲撞低温物体的分子或原子,从而将能量传给后者。于是,能量总是从高温物体向低温物体流动,一边是迟缓的微粒,一边是活跃的微粒,显然后者更容易感染和带动前者。

一般而言,如果不同温度的物体靠在一起,那么它们的温度最终会变得一样,这也是一种平衡。说到鸭子,我们首先要了解流经它们脚部的血液,这些血液来自鸭子的心脏。作为身体的核心,鸭子心脏的温度大约是40℃。当盛着温暖血液的脚丫进入近乎冰点的河水时,二者之间的温差会让血液失去能量。变凉的血液继续在身体里循环,必然和鸭子的整个身体产生温差,于是整只鸭子的温度都会下降。鸭子可以略微限制流向脚部的血量,但这不能彻底解决问题。实际上它们运用的是一条更加简单的法则:两件相互接触的物体温差越大,高温物体向低温物体散失能量的速度就越快。换句话说,两件物体的温差越小,能量的流动就越慢。这才是鸭子真正的秘诀。

鸭子快速划动脚掌的时候,温暖的血液沿着它的双腿动脉向下流动,动脉旁边就是静脉,后者负责把变凉的血液送回心脏。显然,温暖血液中的分子会碰撞动脉壁,动脉壁分子又会碰撞静脉壁分子。最终,能量从动脉血传往相邻的静脉血。流向鸭子脚部的动脉血会变凉一点,而流回心脏的静脉血又会变热一点。

沿着鸭腿继续往下,静脉和动脉的整体温度都会下降,但动脉还是要比静脉暖和一点。因此,在整个脚丫的任何一段,动脉血总会温暖相邻的静脉血。来自鸭子躯干的温度并不会只顺着动脉往下送,这些血液在输送的过程中一直在将自己的能量分给旁边的静脉血。等到动脉血最终到达带蹼的鸭脚时,它的温度已经变得跟水温差不多了。鸭脚并不比河水暖和多少,所以它损失的能量也极其有限。而静脉血在向上流动的过程中则不断吸收来自动脉的能量。这个过程叫作逆流热交换,这种方式可以最大限度地减少能量的损失。只要鸭子能确保能量不流向脚掌,那么它的脚自然就不会成为能量散失的黑洞。鸭子之所以能够愉快地站在冰面上,正是因为它们的脚掌本身就是冷的。而且它们对此毫不在意。

动物王国中有不少物种独立演化出了类似的策略。海豚、海龟尾巴和鳍足里的血管也采取了相似的排列方式,所以它们在冷水中游动时也能有效维持体温。北极狐体内也是这种机制。这些狐狸的爪子需要直接接触冰雪,但它们仍能保证体内关键器官的温度。这种方法非常简单,却又十分有效。

我和我的朋友没有这些动物的本领,所以我们只在雪地里待了一小会儿。我们又看了另外几场争斗。表达了对这些鸭子的羡慕之后,我们就回去吃司康饼了。

滚烫的勺子和冰冷的食物

几代科学家从数千次实验中得出结论:热量的流动方向遵循一个简单的规则,总是从较热的物体流向较冷的物体。这是一条基本的物理学定律。不过,它并未给出热量流动的速度。把沸水倒入陶瓷马克杯的时候,你可以一直握着杯子的把手,直到里面的水彻底冷却下来。这个过程中你绝不会受伤,因为把手的温度不会升高太多。但是,如果你把金属勺子放进沸水里,然后一直抓着勺柄,那么几秒钟后你就会被烫得哇哇乱叫。金属传热的速度极快,而陶瓷传热的速度极慢。我们可以说,金属更容易被身边活跃的微粒所带动。金属和陶瓷的基本成分都是排列整齐的原子,这些原子都只能在原地振动,而不能随意流窜,为什么它们的导热性能差别如此巨大?

陶瓷杯体现的是靠整个原子传递振动的结果。正如我们曾经说过的,每个原子都会推挤身旁的原子,能量就这样沿着整道链条层层传递。你之所以能够抓着杯子把手而不会被烫伤,是因为这种方式传递能量的速度很慢。而且,大量能量来不及传到你的手上就已流失到空气中。陶瓷、木头和塑料都是热的不良导体。

金属勺子却走了一条捷径。和陶瓷一样,金属原子要老实地待在原地。不同之处在于,每个金属原子的周围都有几个活泼的电子(我们稍后会聊到电子)。相邻的金属原子可以轻而易举地交换电子,这是陶瓷原子做不到的。金属原子只能乖乖站在队伍里,这些电子却能在整个结构中往来穿梭。它们在所有金属原子间形成了一片电子之海,一有风吹草动,立马波涛汹涌。金属导热的关键就在这里。

你将沸水倒进杯子里的时候,灼热的水分子会将部分热量传递给陶瓷杯壁,这些热量又会缓慢地从一个陶瓷原子传向下一个原子。而对于金属勺子来说,接触热水不仅仅意味着水分子的振动会传递给固定在原地的金属原子,还意味着电子之海开始动荡。小小的电子在金属结构内以极快的速度运动。当电子在金属勺子内部四处流动时,它们传递热振动的速度要比完整的金属原子快得多。电子以极快的速度将热量传到勺子顶端,整个金属勺子的温度随即升高。

不同金属的导热速度也不一样。铜的导热性能更好,铜勺传热的速度大约是钢勺的5倍。因此,有些烹饪锅具的锅身是铜的,柄却是铁的。人们希望铜质锅身能够快速均匀地将热量传递给食物,却不希望锅柄也被烧得滚烫。

一旦证明了原子的存在,你自然会好奇这些小东西在不同的环境里会有什么变化。这直接引出了下一个问题:“热”是什么?当我们提到传热时,“热”似乎是一种液体,在各种物体之间流动。实际上,“热”是一种动能,不同的物质发生接触时,这种动能会在它们各自的微粒间分享。温度是直接体现这种动能的量度,我们可以利用不同的材料(比如导热性能良好的金属和导热性能很差的陶瓷)来控制热能在不同物体之间的分配。细想之下,你不难发现,控制温度对人类社会而言至关重要,极大地影响着我们的生活。人类花了很多时间来为自己保暖,与此同时,食品药品行业又为制冷投入了大量人力物力。在本章的末尾,我们不妨了解一下各式各样的冰箱和冷冻机。

奶酪受热时,它内部的分子会变得活跃,能量增多,这意味着可用于化学反应的能量也增加了。也就是说,奶酪表面的微生物可以开动身体内部的工厂,开启腐坏的进程。因此,我们需要冰箱。冰箱冷却了食物,安抚了分子,微生物的能量来源也被掐断了。所以冰箱里的奶酪比室温下的奶酪保存得更久。冰箱真是了不起,它可以让外部的空气更热,内部的空气更凉。

低温有利于食物的保存,因为这样限制了分子的变化。你不妨想象一下,没有冰箱的生活会是什么样。你失去的绝不仅仅是冰激凌和冰啤酒。你得大幅增加购物的频率,因为买回来的蔬菜总是放不了两天就会坏掉。要想吃到牛奶、奶酪或者肉类,你必须住在农场附近;要是想吃鱼的话,就不能离海边太远。新鲜的蔬菜沙拉只有在应季的时候才会出现在餐桌上。我们可以利用酸渍、干燥、盐腌、罐装等办法保存部分食物,但无论如何,你都没法在12月吃到新鲜番茄了。

超市背后隐藏着仓库、船只、火车和飞机组成的一整套冷藏供应链系统。在罗得岛采摘的蓝莓也许一周后就会被送到加利福尼亚州出售,从离开枝头到送上超市货架的整个过程中,它都不可以从周围的环境中得到足以升温的能量。正因如此,我们才相信自己买到的食物是安全的。需要冷链配送的不仅仅是食物,很多药品也需要保冷。疫苗在温暖的环境中特别容易失效,发展中国家推广疫苗的一大障碍正是他们难以保障全程冷链。环环相扣的冷链在我们这颗星球上纵横交错,连接着农场、城市、工厂和消费者,人们厨房里的冰箱和医生手术室里的冷冻机不过是这条长链的最后一个环节。牛奶一离开奶牛的身体就会进入工厂进行巴氏消毒处理。而它下一次受热八成得等到你打开盒子准备做热饮的时候。在整个冷链配送的过程中,牛奶中的分子一直维持着低能量的状态,能让牛奶腐坏的化学过程几乎被彻底关闭了。我们不让分子活跃起来,通过这种方法来保证食品安全。

下次往饮料里加冰块的时候,你可以观察一下冰块融化的过程。你可以想一想,在热量从水流向冰块的过程中,微不足道的原子如何传递能量。哪怕看不到原子,你依然能够发现它们对周边的事物造成的影响。

第7章 勺子、旋涡和“伴侣号” -旋转定律-

旋转中的稀奇事

泡沫的妙处在于,你知道它总会浮到最上面。它们要么像鱼缸和游泳池里的气泡一样上浮,要么像香槟和啤酒沫一样聚成一团待在液体上方。泡泡最后似乎总会升到液面的最高点。其实这里也有例外。下次搅拌杯子里的茶或者咖啡的时候,请好好看看杯子。就在你转动勺子的时候,水面上发生了不寻常的事:茶水的表面形成了一个洞。随着液体的旋转,茶水中央向下凹陷,靠近杯壁的部分则会上升。浮在茶水表面的泡泡全都跑到了这个洞的最底下。现在,茶水与杯壁相交的地方才是液面的最高点,但泡沫并不会出现在这里,反倒跑到了液面的最低点,再也不肯挪窝。就算你把泡沫拨开,很快它又会固执地回来。液面边缘产生的新泡沫也会打着旋儿流向中间。真是太奇怪了。

你用勺子搅动茶水的过程实际上是在推挤杯中的液体。勺子将茶水向外推,但茶水的运动距离非常有限,因为不远处就是杯壁。如果你在游泳池里搅动勺子,被搅动的水就会毫无阻碍地向前运动,最终和游泳池里的水融为一体。但小小的杯子里没有足够的空间,坚硬的杯壁会毫不留情地把撞上来的液体挡回去。杯壁就是一堵墙,茶水无法逾越它。既然茶水无法直线运动,它就会沿着杯壁开始打转。在这个过程中,茶水还会沿着杯壁向上冲。茶水会锲而不舍地试图走直线,它之所以会转圈,完全是被逼无奈。

这就是旋转物体教给我们的第一课。如果你突然撤掉了障碍物,那么它们一定会按照障碍物消失那个瞬间的方向继续向前运动。想象一下掷铁饼的运动员,他们抓着铁饼原地旋转,转上几圈以后,铁饼的速度已经变得很快了,但它仍将保持旋转运动,因为运动员将它紧紧抓在手中。运动员不断对铁饼施加拉力,拉力的方向沿着他的手臂指向旋转的中心。就在运动员松手的那个瞬间,铁饼笔直地向外飞出,它的速度和方向与运动员松手的前一刻一模一样。

被搅拌的茶水中央之所以会形成一个洞,是因为每一滴茶水都试图沿直线运动,但由于杯壁的阻挡,它只能沿着杯壁向上爬,所以杯子中央的茶水变少了。就算你停止搅拌,这个洞也不会立即消失,因为茶水还在旋转。当液体旋转的速度逐渐变慢,杯壁附近的茶水不再往上冲,自然就落下来了。液面中央的洞也随之慢慢填平。你可以通过液体观察到这个过程,因为液体可以自由地运动并改变形状。

液面中央的泡泡也会随茶水旋转。它们之所以会出现在杯子中间,其实是因为这个地方大家都不愿意待。如果你把一杯啤酒放在桌上,啤酒泡沫一定会漂在杯子最上方,因为这时啤酒喜欢待在杯底,软弱的泡沫对此毫无办法。茶水也遵循同样的道理。泡泡之所以会出现在中间的洞里,是因为水正忙着往杯壁上冲,于是泡沫被挤到了没有水的洞里。液体的密度大于气体,所以在分派位置的时候,液体总是比气体更有选择权。

我们身边有很多旋转的物体:干衣机、正要脱手的铁饼、腾空翻转的煎饼,还有陀螺仪。另外,地球绕太阳公转的同时也在自转。旋转至关重要,因为它能帮你做很多有趣的事,这有时会牵涉大量的能量和力,而且一切都局限在较小的范围内,最糟糕的结果无非就是原地踏步。不要小看茶水里的现象,同样的原理还能解释很多事情。为什么不在南极发射火箭?医生通过什么办法来检测患者体内的血红细胞数量?未来的电网什么样?了解了旋转的原理,你就能知道这些问题的答案。不过,你首先需要明白,旋转中的物体无法直线运动。

自行车和弯道飞行

旋转的物体需要一个指向圆心的力迫使它不断改变方向,这是一个放之四海而皆准的道理。如果失去了这个力,物体就会停止转圈,转而沿着直线运动。因此,要想转圈圈,你必须设法得到一个这样的力。物体运动的速度越快,需要的力就越强,因为旋转速度快的物体更难控制。欢迎加入书社,每日海量书籍,大师课精彩分享微信:dedao555

运动会的举办方总喜欢把观赏性强的项目放在环形赛道上进行,因为让运动员在绕圈中完成比赛有几个妙处。参赛者可以尽情提速,场地绝对够用,付了钱的观众绝不会看不见比赛。为了确保参赛者获得足以让他们停留在赛道上的向心力,某些项目的赛道会修成有倾斜角度的弧形弯道。自行车室内场地赛就是个典型的例子。不过,在我尝试这项运动的时候,真正吓我一跳的不是赛道的长度,而是它的坡度。

我从小就是个狂热的自行车爱好者,但在室内场地骑车和平时的骑行完全是两码事。伦敦奥林匹克自行车馆内部光线明亮,空间开阔,而且十分安静。我的出现打破了寂静,他们为我准备了一辆看起来异常纤细单薄的单速自行车,没有刹车,而且我从没坐过这么难受的车座。指导新手的讲解结束后,我们踩动脚踏板,沿着赛道开始骑行。赛场看起来真是大极了。环形赛道有两条较长的直边,骑到直边尽头,高耸的弧形弯道出现在我们眼前。弯道非常陡峭(大约有43°),我觉得设计者想修的其实是一堵墙。这样陡峭的斜坡看起来完全不适合骑行,但我们的小队已经无路可退,只能向前。

我们先在主赛道内侧平坦的椭圆形场地展开练习。这里的地面很光滑,车骑起来感觉不错。然后,我们在教练的指引下向外挺进,开始踏上微微有一点坡度的浅蓝色地带。接下来,就像学飞的雏鸟一下子被推出鸟巢,我们也得攀上陡峭的主赛道了。

我立即体会到了惊慌的感觉。我原本以为弧形赛道的坡度是渐变的,结果却发现自己想错了,赛道最低处和最高处的斜度完全一样,只要踏上主赛道,你就得面对陡峭的斜坡。我不知道这算不算直觉,总之我逼着自己的脑子做出了符合逻辑的判断:骑得更快一点似乎是个好主意。骑了三圈以后,我彻底忘记了屁股下面的车座到底有多不舒服。我们骑了一圈又一圈,就像巨型转轮里疯狂的仓鼠,偶尔我们也会停下来,让教练检查大家的情况。整整25分钟的时间里,我在惊慌中不断学习。

这里的关键在于,你希望自行车倾斜,让车身尽可能地垂直于坡面。在做到这一点的同时,你还不想从斜坡上掉下来,唯一的办法就是加快速度。这背后的原理和旋转的茶水完全相同。自行车始终倾向于水平直线前进,但这个愿望却无法实现,因为赛道是弯曲的。赛道的阻碍为自行车提供了垂直于赛道的支撑力,再加上重力的影响,你受到的合力最终指向赛道构成的圆心。这个力不小,你只能加快速度,让它把精力全花在维持旋转上。如果它还有余力,自行车就会被它拽倒。我当时感觉就像在墙上骑车,好在我骑得还算稳当。

我早就知道这些现象背后的理论了,但亲身体验又得到了一点不同的感受。刚开始,你根本没有机会休息,你得猛蹬踏板才能把自行车带动起来。不过,达到一定的速度之后,你要做的就是维持节奏了。有那么几次,我想停下来歇一会儿,就像平时在路上骑累的时候一样。但我知道,放慢速度,我很容易摔倒。我的身体立即分泌大量肾上腺素,我又重新开始疯狂地踩动踏板。这种自行车完全无法靠惯性滑行,你必须不停地蹬踏,无论双腿有多累。只要稍微放慢一点速度,你立即就会从赛道上往下滑。亲身尝试以后,我立即对每天进行场地自行车训练的运动员产生了由衷的敬意。我觉得敢于尝试赛道骑行的人也同样值得佩服。在这样的赛道上,想超车就必须绕远路,你要比对方快得多才有可能争取到一个机会。幸好我们不是比赛,不用老惦记着超车,对此我感到十分愉快。

这次体验告诉我,只要方法正确,那么坡度越陡,它赋予你的向心力就越强大。在弧形赛道上骑车需要这样的力,在直道上骑车则不需要,因为只有在弧形赛道上你才需要转向。转向的速度越快,需要的向心力就越大。让你自然跑完陡峭弯道的速度,在平坦的弧形赛道上会把你甩出去。这是因为平坦赛道可以提供的向心力(轮胎的摩擦力)无法驾驭那样的速度。自行车运动员不甘心让室内场地赛的速度局限在摩擦力允许的范围内,陡峭的弧形赛道解决了这个问题。

赛道向内支撑自行车运动员,大地向上支撑我们,这两种现象背后的原因完全相同。要是脚下的大地突然消失,你就会掉下去,因为重力会向下拉扯你。也就是说,地面实际上为我们提供了一个向上的推力,以此来对抗重力的拉扯。骑行者会在赛道上同时感受到向上、向内两个方向的推力,换句话说,重力同时赋予了他们向下、向外的拉力。

有一项场地自行车赛的名字非常贴切——飞行200米计时赛(flying 200-metre time trail)。我觉得参赛者一定能体会到飞翔的感觉。而这项比赛之所以叫这个名字,是因为参赛者在计时开始前就已经达到了极高的速度。在我写书的时候,这项比赛的世界纪录是9.347秒,由弗朗索瓦·佩维斯(François Pervis)创造。这个速度相当于21米/秒,或者77千米/小时。当他以这样的速度经过弧形弯道时,一定体会到了飞的感觉。

正如我们在第2章中看到的,作为一直存在的力,重力会影响万事万物,不过有时候你要等待很久才能看出它的效果,静置奶油分层就是个例子。在这里,旋转给了我们新的选择。要想增加重力,你不必大费周章前往另一颗行星。在抵达赛道最高处时,自行车运动员感受到的重力就会变大。不过,地球上最优秀的场地自行车运动员也只能达到77千米/小时的速度。在其他条件下,旋转速度是可以不断创造新高的,只要有足够的向心力。

离心机和宇航员

第2章讲过,重力可以让脂肪从牛奶中分离出来,漂到瓶子的最顶端,还记得吧?自然完成这个过程需要几个小时。但是,如果你把牛奶放进一根飞速旋转的长管子里,那么强大的离心力就会在短短几秒内将奶油液滴分离出去。这就是现代乳品业提取奶油的方法。静置分离的速度太慢,现代食品制造业没时间去慢慢等待。离心力和转动的物体如影随形,它的强度取决于转速。这就是离心机的原理:离心机的核心结构是一条能够固定物品的旋臂,向心力推动旋臂转动时,物体就会承受强大的离心力。

只要施加的向心力够强,离心机就能分离出单靠重力永远不可能分离的物质。以验血为例,血样会被医务人员送进离心机。离心机高速旋转时,血样承受的离心力可能达到重力的2000倍。红细胞的密度较大,但体积很小,正常情况下单靠重力我们永远不可能把它分离出来,但这些细胞无法抵御离心机产生的强大力量。在这种条件下,只需要5分钟时间,几乎所有红细胞都会离开离心机的中央,聚集到采样管底部。这时,工作人员就可以取出采样管,通过沉积层的厚度直接测量红细胞在血液中所占的百分比。这种简单的测试能够反映一系列健康问题,同时还可检查运动员有没有服用兴奋剂。如果没有旋转产生的离心力,那么这样的测试会比现在难得多,也贵得多。除了小小的血样以外,离心力还能作用于更大的物体。世界上最大的离心机甚至能转动一个活生生的人。

不少人对宇航员的生活羡慕不已:他们能看到地球的壮丽景色,还有机会摆弄各种各样的高科技,积攒数不清的精彩故事,无论走到哪里都会引来一阵艳羡,因为他们从事的是世界上最罕见、门槛最高的工作。不过,要问大家最羡慕宇航员的哪一点,大多数人都会回答:失重。在没有“上”“下”之分的空间中自由飘浮,听起来轻松而令人向往。

我接下来要说的事实可能会让你感到惊讶:宇航员在训练中需要为失重状态的反面做准备,也就是说,他们必须承受额外的重力。目前进入太空的唯一方式是乘坐火箭,而火箭会产生超高的加速度。从太空返回地球的旅程更艰难,宇航员需要承受重力4~8倍的力量。在地球上,也许只有高速转弯状的战斗机飞行员会面临同样的状况。如果你在电梯加速时都会觉得有点反胃,那么这份工作不适合你。在飞船速度急剧变化的过程中,人的大脑会面临大量血液涌入或是涌出的情况,体内的一些毛细血管甚至可能因此而爆裂,这些细节实在谈不上愉快。但宇航员不光要受得了这些,还得工作,这一点在飞船驾驶员身上尤为明显。好在人是可以习惯成自然的,于是人们想出了训练宇航员的方法。

加加林宇航员训练中心在莫斯科东北面的星城,所有宇航员都要在这里接受长时间的训练。除了教室、医学设施和飞船模拟器以外,中心里还矗立着一台TsF-18离心机。这台离心机安装在一个宽敞的圆形大厅里,它的旋臂长达18米。旋臂尽头的舱室可以根据当天的训练需求进行更换。坐在舱室里以每圈2秒或4秒的速度旋转,这是所有受训宇航员的必修课。这个速度听起来似乎不算快,但要是仔细计算一下,你就会发现舱室每小时实际要跑100~200千米。

经过初步的适应后,宇航员开始学习在这样的环境中工作,工作人员会监控他们的身体状况。需要坐离心机的不光是宇航员,试飞员和战斗机驾驶员也得接受这种训练。中心甚至为付得起钱的普通大众提供了体验式课程。不过,请务必小心:所有人都一致同意,这门课会让你非常难受。当然,要是你真想试试持续承受极强的力是什么感觉,那么离心机的确是个不错的选择。

人们通过离心机利用物体在旋转时所受的力,营造了一种人造重力。除此以外,旋转的物理学原理还有另一种利用方式。茶水、自行车运动员和宇航员的旋转都被局限在一个极小的范围内,有一道坚固的藩篱阻止了继续向外的运动。要是没有这道藩篱又会怎样?这样的场景并不罕见。橄榄球、旋转陀螺和飞盘都是无束缚的旋转物体。不过,要探讨这个问题,我们可以采用另一种更加有趣的道具,而且它还能吃,那就是比萨。

飞饼和地球自转

在我看来,完美的比萨应该拥有一层薄而脆的饼皮。饼皮看似朴素,却是必不可少的,只有好的饼皮才能衬托出馅料的光彩。刚开始制作时,比萨饼只是个圆乎乎的面团,厨师通过揉搓和发酵让它呈现出最美好的一面。要把面团摊成薄薄的饼,却又不能让它破掉,这是每一位师傅都要修炼的功夫。甚至有人更进一步,将这门基本的技巧变成了艺术。这些“飞饼大师”学会了用旋转来完成任务——既然物理学知识能搞定琐事,又何必一点点地揉搓面团呢?何况,空中飞舞的饼皮还会让厨师看上去神秘而有趣。

抛掷比萨面团逐渐演化成了一门颇具观赏性的运动,现在已经有了一年一度的世界大赛。甚至有一群人自称“比萨杂技演员”,他们的拿手好戏就是让一张(或者两张)比萨饼皮在空中飞转,甚至让饼皮绕着表演者的身体翻筋斗。当然,这种表演用的比萨最后应该没人吃,但空中飞舞的面团的确让人印象深刻。也有不少厨师只是老老实实地运用旋转的力量来加工饼皮,而不搞这些花哨的把戏。在这里,旋转到底有什么魔力呢?

最近,几位爱吃比萨的朋友带我去了一间很不错的餐馆,他们的厨房是开放式的。我说我想看看怎么转比萨饼皮,几位年轻的意大利厨师笑了几声,然后推举出了一位勇敢的志愿者。那位厨师腼腆而自豪地走到人群中央,开始拍打、压平面团。然后,厨师托起面团,从中间轻轻一拨,整个面团开始在空中旋转。

接下来的一切仿佛发生在电光石火间。面团转着圈离开了厨师的手,突然间它自由了,没有谁的手会对它施力了。为方便解释这个过程,我们来看一看面团边缘的一个点。此时它正在做旋转运动,这是因为面团的其余部分紧紧粘着它,向它施加了一个向心力。不过,这时面团旋转的速度过快,超出了原有向心力的承受能力,面皮上的各个点向边缘拉扯,试图逃离中心,像脱手的铁饼那样飞出去。但面团是柔软可塑的,受到这样的拉扯之后,它会变得更加平展。面团的边缘受到了中心的拉扯,这也意味着拉扯的力贯穿了整个面团,整个面团的形状都会变化。

任何旋转的固体内部都会产生你看不见的力。维系比萨完整的内部力量同样拉扯着面团,所以面团的边缘开始变得离中心越来越远。厨师最重要的技能就是尽量让面团内部的拉力保持平稳均匀。整个比萨面团都在旋转,所以它的边缘也会均匀地向外伸展。

有时候你自己也能感受到这种看不到的力。你可以抓住一个装有重物的袋子,然后水平伸直手臂开始原地旋转。你会感觉到有一股力量在拉扯你的胳膊,这正是维系袋子转动的向心力。对你来说幸运的是,手臂的延展性没有比萨面团那么强,所以它的长度不会变。不过,胳膊越长、转速越快,你感受到的拉力就越强。

比萨面团在空中旋转时就会经历这种拉扯,并且因此变得扁平均匀。我估计面团在空中的时间还不到1秒,但它在抛起来之前还是一块厚厚的面饼,落下来的时候却已经变成了薄薄的圆片。厨师还在继续旋转面团,再次将它抛向空中,但这一次,由于内部的拉力太强,面团自己从中间撕裂了,最后掉下来的是一块破破烂烂的面片。厨师不好意思地笑了笑。“所以我们一般不会公开表演这个,”他说,“最好的比萨面团都很软,不适合旋转,所以我们必须手工把它擀开。”于是我们发现,那些杂技大师使用的面团都有特殊的配方,它的延展性和强度都特别好,但用这样的面团烤出来的比萨就不敢恭维了。比萨边缘受到的拉力是重力的5~10倍,所以旋转成型的效率远高于举起面团让它在重力作用下自然拉伸摊薄。

旋转的比萨饼皮看起来赏心悦目,因为看不见的内力塑造着它的形状。从橄榄球到飞盘,在转动的时候,任何物体从中心到边缘都会有力量在拉扯。但你不会在坚硬的固体上看到这种力带来的影响,因为那些东西不容易拉伸,或者说,它们拉伸的幅度很小,你根本看不出来。不过,所有旋转物体都会拉伸一点点,就连地球也是这样的。

地球绕着太阳公转,与此同时,它也在不停地自转。其实地球经历的过程和比萨面团很相似,因此地球上的每一块岩石都能沿弧线运动。对我们来说幸运的是,地球上的重力还算强大,所以我们生活的星球依然是球形的,并不会变得跟比萨面团一样扁平。不过,地球还是像个吃多了的胖子似的,有了赤道隆起。

如果你站在赤道上,那么你与地心的距离比北极离地心的距离要远21千米。重力将我们的星球凝聚成形,但日常旋转赋予了它现在的形状。正是这个原因,虽然珠穆朗玛峰是地球上的最高峰,但它的峰顶并不是地表距离地心最远的点,实际上,这份殊荣属于钦博拉索山,它是赤道上的一座火山。钦博拉索山的海拔只有6268米(珠穆朗玛峰是8848米),但它正好位于赤道隆起的最高点。假设有人挣扎着爬上了珠穆朗玛峰顶,而你只是站在钦博拉索山顶,这时你距离地心的距离就比他足足多出了2千米。

旋转主要有两种用途。比萨饼皮采用的是其中的一种——如果旋转的物体外部没有任何束缚,那么它就会有向外伸展的倾向;而自行车运动员采用的是另一种——用一堵墙挡住旋转的物体,借用障碍物的力量完成旋转。不过,无论是离心力还是向心力,它总得有个来源。如果关键的力消失了,物体就无法继续转动。

只有固体才会成为一团,液体和气体不会像面团那样挤在一起。这一点是可以加以利用的,尤其是在面对液体和固体混合物的时候。你可以想办法把它们分开。旋转烘干机的原理就是这样,衣物的运动范围被限制在圆桶内部,圆桶会向它们施加一个向内的力,所以这些衣服必然会不停地旋转。与此同时,衣物里的水分却可以不受限制地自由运动,所以它会透过织物的缝隙不断向外移动。除非外面有固体阻挡,否则这些水必然会远离中心,最终通过圆桶上的孔向外飞出,彻底脱离圆桶的旋转运动。

投石车和人造卫星

转动某件物体然后放手,这个过程的本质是这样的:起初,你赋予了物体一个向心力,于是它开始转动;然后,你突然不再用力,向心力消失,物体没有理由继续旋转,所以它就会沿直线向外飞出去。这个原理改变了中世纪欧洲和地中海东部地区的战场面貌,以此为基础,工程师们开始建造足以摧毁石堡的巨型攻城设备。我也曾运用这个原理来发射长筒雨靴,但最后的结果不太理想。

那年我即将博士毕业,教授们告诉我答辩已经顺利通过,桌子后面的校外主考官微笑着问我下午剩余的时间打算干点什么。显然,他觉得我多半会去参加庆祝派对,但我的回答出乎他的意料。我打算骑自行车去乡下,看看能不能找到一位老乡借给我一两个拖拉机旧轮胎。我解释说,我正在做一个投掷长筒雨靴的小玩意儿,必须用废旧材料制成,而且必须在下周之内完成。考官狐疑地皱了皱眉,然后他圆滑地假装刚才的对话完全没有发生过,转而问我下面有什么工作计划。

我说的是实话。我准备参加一个名叫“垃圾堆挑战”的路演活动,我所在的团队全是女成员,这不常见。这次的挑战是建造一个能够投掷长靴的装置,这件作品将在多塞特蒸汽机节(Dorset Steam Fair)上参赛。我们团队只有三个人,我们既没钱也没有太多时间,要实现这个目标,我只有一个法子:复原古老而高效的投石车。

投石车是一种相当精巧的设备,几百年内它在不同的文明之间流传,在传入西欧之前,古代中国、拜占庭和阿拉伯帝国都曾使用过这种武器。在11世纪和12世纪,投石车已经完全展露出狰狞的面目,它能够轻而易举地摧毁坚固的城堡。投石车能将重达100千克的石块扔到几百米外,这种攻城器械直接导致了莫特贝利式城堡的消失。这种堡垒不是没有战略价值,但那种泥土和木头构成的结构太脆弱。只有坚固的石头才能有效防御投石车的进攻,所以石堡逐渐成为主流。

中世纪战士也好,我们的团队也罢,无论对谁,投石车能带来的好处都是一样的:原理简单,工作高效。我们从附近的建筑工地借来了搭脚手架的材料,又在学校各处搜刮能充作吊兜的材料,我追着卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory)的技术员弄来了一根5米长的金属臂,然后我们把这些全都堆在学校操场上,打算大干一场。在那之前的8年里,剑桥大学丘吉尔学院(Churchill College, University of Cambridge)一直是我的家,学院工作人员早已习惯了我和我那些不知道从哪儿冒出来的奇怪装置。无论我的奇思妙想有多离谱,路过的同学总是表现出极大的友善和宽容。想起这些往事,我仍在惊讶中心怀感激。这就是学校的氛围。那个星期,操场对面有另一群人正在尝试用平流层气球把一只泰迪熊送上太空。

投石车的基本结构并不复杂。我们需要建造一个框架,框架内要有一个离地两三米的支点,然后得在支点上架一根长梁,就像一个巨大的跷跷板。接下来,我们调整支点的位置,让支点两头的臂长达到一个相当悬殊的比例。现在,我们得到了一个A字形的支架,上面架着一根超长的棍子,棍子较长的那端垂至地面。较短的那头用来放重物,较长的那头用来放“炮弹”。我们首次组装完毕的那天阳光明媚,真是个完美的发射日。

然后我们遇到了一个问题。投石车是件美妙的器械(当然,被攻打的一方会有不同意见),它巧妙地利用了重力。你可以在跷跷板的短臂那头放一件重物,只要一松手,短臂就会立即快速下沉。整道梁绕着支点划出一道圆弧,长臂连接的吊兜随之转动。在这一系列快速转动的过程中,吊兜里的“炮弹”也会以支点为圆心旋转,因为吊兜为它提供了向心力。本来一切都很好,但我们却没能找到足以撬动整个结构的配重。我建议用我的身体来做配重,然而我的体重太轻,完全压不住我们的跷跷板。我们束手无策。那天晚上,我跟另一帮朋友倒了一大通苦水,并严肃地拒绝了他们叫我多吃点蛋糕的建议。然后,一位朋友提出,我们可以试试他的水肺潜水设备。于是第二天,我绑着10千克的潜水设备带又试了一次。这次一切都很完美。我拖着跷跷板的一端向下坠落,另一头的吊兜高高翘起,整套装置都转了起来。接下来该准备下一步了¤。

吊兜仅由一个小绳圈固定,整个计划的关键点在于,当吊兜运动到最高点的时候,绳圈脱落,吊兜松开。这意味着“炮弹”承受的向心力瞬间消失,于是它无法继续转动。现在条件变了。在这一刻,吊兜内的“炮弹”已经拥有极快的速度。向心力消失的瞬间,它会立即以这一刻的方向和速度做直线运动。它不会继续旋转,而是沿着切线飞行。这就是投石车的原理。

我们在吊兜里放了双鞋,一切都已准备就绪。我背朝操场拽着跷跷板跳了下去,杠杆另一头向上转动,吊兜开始上升,很快越过了支点。吊兜松脱的时间非常完美,我们的第一次发射成功了!那双鞋越过我的头顶飞向操场中央。我不愿意用石头来做实验,鞋子已经完美地验证了计划的可行性。最起码我们的装置能够投出去一双长靴,在极其有限的时间里,我们也只能做到这步了。练习了几次以后,我们满意地拆开装置,把所有零件送到了第二天的比赛场地上。

多塞特蒸汽机节刚刚开幕,我们膨胀的自信就遭到了极大的打击。其他几个中年男人组成的团队都带来了他们在车库里花费数月打造的设备,这些作品结构精巧、装饰华美。而我们在几天内用脚手架零件和废旧地毯拼凑的装置灰头土脸,一看就不讨喜。但我们依然勇敢地把它组装了起来。几名大赛工作人员(也都是些中年男人)过来看了看。“用人来做配重感觉很蠢,”其中一个人说,“你们应该模仿中世纪的战士,用绳子把杠杆拉下去,那样就好多了。”我辩解采用外部配重正是投石机能获得成功的关键所在,但他们谁也没听进去。实际上,投石机直到11世纪才开始成为强大的攻城机械,这恰恰是因为在那之前,大家一直试图用人力来拉动杠杆。但这几名工作人员只管把手揣在兜里,想当然地断言用绳子拉肯定强得多,暗示我们这些空有热情却缺乏经验的女人应该对他们好心提供的帮助感恩戴德。直到我的搭档终于放弃,被迫附和了他们的意见,这几个人才心满意足地走了。我们没时间争吵,比赛快要开始了。

他们在距离投石器大约25米处画了一条线,第一项挑战是在2分钟内将尽可能多的长靴扔过线,夺得前五名的团队将进入比赛的下一步,比试谁的装置投掷的距离最远。计时开始了。我们一起拽动跷跷板上的绳子,吊兜开始向上运动,但第一双靴子几乎直接砸在了我们头上。我们压下跷跷板的速度不够快,吊兜无法获得足够的转速。我们又试了一两次,大约1分钟后,我告诉两位搭档,这个法子行不通,于是我们决定回归最初的想法。我系上潜水设备,跳下充作跳台的文件柜,跷跷板一头猛地向下一沉,另一头的长靴终于呼啸着飞过我的头顶,越过了目标线。再来!装填长靴,爬上文件柜,跳下去,呼!再来——裁判的哨子响了,时间到。

我们扔过线的靴子只有两双,实在太少,所以没能进入第二阶段。中年男人充满同情地安抚了我们,祝福我们下次好运。我避开了那个建议我们使用绳子的人,因为我简直怒不可遏。我们的办法有效!我们用脚手架、地毯和简洁优美的物理学搭建的设备非常有效,完全符合我的预期。我们本来有机会打败那些结构复杂、外表华美的车库美人儿!但临时更改方案彻底打乱了我们的阵脚。其他大部分竞争者的方法都没有我们这么高效。他们的装备或许看起来很漂亮,但我们的投石机在物理层面上更精良。

虽然我亲手打造的投石机效果不尽如人意,但在800年前,正是这种简单的装置改变了战场的面貌。攻城方能以极高的精度投掷沉重的石块,这意味着你可以重复攻击城墙上的同一个点,直到城墙倒塌。经过约两个世纪的发展,投石机变得越来越大,性能越来越棒,人们甚至给它起了“投石神器”(God's stone thrower)以及“战狼”(Warwolf)之类的绰号。建造一台投石机需要消耗大量木材,但它每隔几分钟就能将一块150千克的石头扔到敌人头上,相当物有所值。让石块在吊兜里绕轴旋转,你可以在极短的时间内获得极高的速度。当然,石头一直旋转就没什么用了,这只是加速的手段。一旦石块达到足够的速度,你就会趁它转动到合适的方向时收回向心力。石块呼啸着向外飞出,方向和你预计的一模一样。在稳定的火药让大炮成为真正的利器而非定时炸弹之前,投石车一直是最强大的攻城器械。

旋转的东西有很多。此时此刻,你和我都在旋转。我们每天都会绕着地轴旋转一圈,但你不会有任何感觉,因为地球实在太大,我们转动的速度十分缓慢。如果你站在赤道上,那么你横向运动的速度大约是1670千米/小时。我是在伦敦写完这一章的,本地的横向速度大约是1050千米/小时,因为伦敦离地球的转轴更近。我们都生活在一个旋转的巨大星球上,而且旋转物体表面的其他物体很容易被甩出去,那么我们为什么还好端端地站在地面上?因为地球对我们的吸引力足够强大。事实上,哪怕你不在地面,而是在人造卫星的轨道上,地球也不会让你甩出去。而火箭在升空时,还可以借助地球的旋转获得更高的速度。

1957年10月4日,一颗名叫“伴侣号”(Sputnik,也译作“斯普特尼克号”)的金属小球发出了太空时代的第一声啁啾,整个世界都在屏息倾听它的声音。作为第一颗进入轨道的人造卫星,“伴侣号”是个了不起的技术奇迹。它每隔96分钟就会绕地球转一圈,所过之处,地面上的短波无线电设备都能收到清晰的“嘀嘀”声。那天清晨,美国人醒来的时候还满怀自信,觉得自己的国家是地球上最了不起的国家;但在太阳落山之前,“伴侣号”顺利入轨的消息就已动摇了他们的信心。短短一年内,苏联又发射了一颗人造卫星,这颗卫星个头更大,而且搭载了一只名叫“莱卡”(Laika)的小狗。深受震撼的美国人还没来得及发射任何东西,但他们已经开始建设NASA,也就是著名的美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration)。太空竞赛正式开始。

“伴侣号”真正了不起的地方不是飞上了天。要知道,地球这样的行星是很庞大的,小个子的物体靠近它都会被引力拽到地面上。要把卫星送入轨道,首先你得让它飞上天,但真正的难点在于把它留在天上。“伴侣号”没有摆脱地球的重力,但这不是问题的重点。道格拉斯·亚当斯在谈及飞行(不是太空轨道飞行)时曾经精准地概括出了窍门:“诀窍就是,你得学会不断瞄准地面降落,但永远都落不下来。”“伴侣号”一直在向着地球下落,只是它永远不会着陆。

“伴侣号”是在哈萨克斯坦的沙漠地区发射的,那里建起了一座规模宏大的宇航发射中心——拜科努尔航天发射场(Baikonur Cosmodrome)。火箭搭载着“伴侣号”向上穿过厚重的大气层,然后转为顺着地球的弧度加速飞行。最后一节火箭脱落时,“伴侣号”绕地球公转的速度已经达到了大约8.1千米/秒。这就是绕轨飞行的秘密所在,难点在于水平加速,而不是向上飞行。

这颗小金属球根本没有摆脱地球重力。事实上,要停留在绕地轨道上,它离不开重力的帮助。否则,这颗卫星很可能继续向前运动,头也不回地跑到宇宙深处。在轨道上运行时,“伴侣号”承受的重力大小和在地面时差不多。但是,这颗卫星拥有极高的水平速度。在一段时间内,它的高度虽然下降了一些,但它同时也会向前运动一段可观的距离。这段距离正好契合地表的弧度。因此,“伴侣号”一直在下落,地球也一直在弯曲,二者最终达到轨道飞行的美妙平衡。一定的水平速度把卫星留在了天上。由于太空中几乎没有空气阻力,所以它完全可以永不停歇地围着地球转圈,不断下滑,但永不坠落。

进入轨道的卫星必须拥有足够的水平速度,才能达到上述平衡。由于地球自身的运动情况,哈萨克斯坦的基地本身就已拥有一定的速度。离地轴的距离越远,这个速度就越快。从赤道附近发射的飞行器会获得较高的起始速度。进入近地轨道需要8千米/秒左右的水平速度,哈萨克斯坦基地可以天然给予的速度大约是400米/秒。如果向东发射,算上地球自转带来的影响,哈萨克斯坦发射的飞行器其实已经拥有了5%的初始速度。如果是在北极点附近发射,就没有这个好处了。

旋转烘干机的甩干桶会拦住衣服,不让衣服甩出去;而在自行车馆里,向内的压力来自倾斜的赛道。作为人类太空探险的丰碑,“伴侣号”受到的向心力是由重力提供的。旋转物体需要向心力才能保持运动状态不变。甩干桶里的衣服和“伴侣号”遵循着同样的规律:如果向心力突然消失,它们必然会保持前一刻的速度和方向,继续做匀速直线运动。

因此,哪怕是在我们头顶几百千米的高空中,重力依然非常重要。但同样不容忽视的是,太空生活的一大乐趣就是失重。宇航员在零重力环境中飘来飘去,为了不打翻东西和自己较劲,而所有物品都在到处乱飞。既然重力的影响在大气层外依然有效,又为什么会出现这样的情况呢?此时此刻,国际空间站就在我们头顶的轨道上飞行。生活在这个巨型科学设施里的宇航员骄傲地宣称自己担负着特殊的使命,但我一点也不嫉妒他们。其实他们只是在连续下落而已,和“伴侣号”一样。只不过这么说听上去不怎么酷而已。

在自由落体状态下,你不会感觉到重力的存在,因为你的脚下没有支撑力。宇航员的情况就是这样,他们没有感受到支撑力,所以也没有重力在身的那种踏实感觉。就像电梯刚刚开始下降的那个瞬间,你会觉得自己变轻了一点,因为地板提供的支撑力比刚才小了那么一点。如果电梯井够长,电梯下降的速度够快,你也会体验到失重的感觉。轨道上的物体无法摆脱重力,却可以忽视重力的存在。不过,就算你感觉不到,它依然存在,正是重力为你提供了绕地公转的向心力。

掉落的面包和旋转游戏

旋转能为我们带来很多好处,但有时候它也会惹麻烦。举个例子:面包片落地时,总是涂黄油的那面朝下。你从烤面包机里取出一片热乎乎的面包片,涂上一层黄油。黄油开始融化,散发出美妙的香气,然而就在你伸手去拿茶杯的时候,一个不小心,面包片滑向了桌子边缘。它在桌子边上磕了一下,等你回过神来,它已经躺在地上了,涂了黄油的那面正好朝下。香喷喷的黄油现在成了地板上恶心的一摊垃圾,打扫固然是个麻烦,更让人心情低落的是,你会感觉整个宇宙都在跟自己作对。为什么事情总是往最坏的方向发展?面包片为什么总是这样翻转?

这样的现象的确存在。很多人做过实验,他们一次又一次把面包片从桌子边缘推下去,结果发现,涂黄油那面朝下的次数远远多于另一面。面包片落地时到底哪一面朝下,这和坠落开始时的状态有一点关系;但整体来说,这背后还有更强大的规律,我们对此束手无策。而且这种现象和黄油带来的额外重量无关。大部分黄油会渗入面包片内部,就算没有,它增加的重量也极其有限。

请思考这个问题:面包片落地时为什么会翻滚?这个过程发生得很快,你很难看清(另外,要知道,要是你一直紧盯着面包片,那它就没那么容易掉下去了)。你可以故意牺牲一片面包,以便仔细观察这个过程。你甚至可以拿一本大小差不多的书来代替面包片。请把试验品平放在桌子边缘,然后轻轻把它推向“悬崖”。就在面包片一半悬空的刹那,两件事情发生了。首先,面包片开始像跷跷板一样向下倾斜;其次,就算此时你停止推动,它也会自己滑向桌子外边。现在,一切都看面包片自己了——滑动,旋转,啪嗒。

在面包片一半悬空以后,它就离开始旋转不远了。关键在于,从某一刻开始,面包片悬空的部分会大于留在桌面上的部分。重力将整片面包向下拉,桌子能提供向上的支撑力,但空气不能。就像跷跷板一样,重点在于平衡。面包片移动到中间的瞬间,留在桌上的那一半承受的支撑力正好等于悬空那一半承受的重力。这个中点位置叫作面包片的“质心”,也就是说,如果把支点放在这里,跷跷板两头就能达到完美的平衡。

等你意识到面包片正在坠落,一切都已经来不及了。一旦它滑出桌子边缘,你甚至可以算出它坠落所需的时间。如果桌子高约75厘米,那么面包片只需要不到半秒的时间就会落地。一开始,面包片因翻转而坠落,接下来它会在空中不断翻转。在这里,起到关键作用的力是面包片的重力。估算一下面包片的重力,我们可以大致算出,它会在0.4秒内旋转180度。既然初始状态下涂黄油的这面朝上,那么落地时这面必然朝下。每次实验都遵循同样的规则,所以最后的结果几乎也完全相同。面包片落地时朝下的总是涂黄油的一面。

要想改变结果,你只有一个疯狂的选择:在面包片即将开始翻转的瞬间,把它猛地向外一扫。显然,面包片会飞出去,但它在桌子边缘进行翻转的时间很短,所以它旋转的速度会减缓。这样一来,在落地的时候,涂黄油那面可能还来不及翻到下边。也许,它会划过一道漂亮的弧线,落地时涂黄油的那面朝上。当然,它也有可能掉进沙发下面,或者糊到宠物狗身上。

面包片之所以会旋转,是因为它具备了两个要素:旋转的轴和推动它绕轴旋转的力。面包片的重力方向始终向下,无法推动它转动完整的一圈,但这根本不重要。重要的是,这个力的大小足以让面包片开始运动,并且它推动面包片绕支点转动了至少一点点距离。如果没有外界的阻挠,这样的旋转一旦开始就会自发进行下去。

我们在《序章》中提到的旋转鸡蛋也遵循同样的定律。想一想自由旋转的常见物品——飞盘、扔到空中的硬币、橄榄球、旋转陀螺——你会发现,它们会一直保持转动。如果你向空中扔一枚硬币,它打着转向上飞,然而在你接住硬币之前它就自己停止了转动,你一定会觉得非常怪异。任何旋转的物体都拥有角动量,这是衡量物体转动状态的量度。除非有外力(例如摩擦力或空气阻力)拖慢了它的转速,否则物体必将永远保持原来的旋转状态,这就是角动量守恒定律:在没有外力干扰的情况下,转动的物体必将保持转动。

转圈圈是一种不需要玩具的童年游戏。你随时都可以用原地转圈的方式赶走无聊。小伙伴们可以比一比谁转得更久,转完了以后大家都会东倒西歪,十分有趣。旋转很好玩,而且不会带来太多问题,你会在短时间内感觉头昏脑涨,这对健康影响不大。可惜成年人玩这种游戏会难为情,不然,我们对自己的了解或许还会更深一些。转动之所以会让你迷失方向,不是因为你的脑子真的迷糊了,而是因为你的耳朵里会发生一些奇妙的变化。

请回忆一下《序章》里提过的生鸡蛋和熟鸡蛋。先把两种带壳鸡蛋横放在桌子上旋转,几秒钟后,请用手指快速按住蛋壳,两枚鸡蛋都会停止转动,但是当你挪开手指,其中一枚鸡蛋会继续旋转。熟鸡蛋的内部是固体,蛋壳和壳里的东西形成了一个整体,所以当你按住蛋壳的时候,它会彻底停转。但生鸡蛋内部是液体,蛋壳和里面的东西各自独立,所以停止转动的只是蛋壳,内部的液体仍在继续转动,它没有理由停止。等你松开手指,生鸡蛋里面的液体就会带动蛋壳再次旋转。

你自己原地转圈的时候,你的大部分身体会像煮熟的鸡蛋一样作为一个整体一起运动。当你停止转动时,你的脑部、鼻子和耳朵都会同时停转,但你的耳朵里有一个小例外。人的耳朵里有一种半圆形的小管子,里面充满了液体,它们的表现和生鸡蛋相似。液体和容器的运动不一定是同步的,因为二者不是一个整体。耳朵里的纤毛会探测到这些液体的动态,然后大脑再将液体的运动与眼睛看到的景象比对,这是人体感知自身位置的方式。

你转头的时候,耳朵中的这种液体不会立即跟着转动,它的运动有一定的延迟。如果你持续旋转一段时间,这些液体当然也会追上身体的步调,和它的容器一起进入稳定的旋转状态。等到你突然停下来的时候,这些液体并不会立即停转。就像生鸡蛋一样,虽然蛋壳停止了转动,但里面的液体还在继续旋转。你的耳朵在告诉大脑,“我正在转动”,但眼睛传给大脑的信息是,“我已经停下来了”。大脑也被弄糊涂了,所以你才会感觉头晕目眩。接下来,耳朵里的液体也会慢慢停止转动,头晕的感觉随之消失。

当然,这种原因造成的头晕也有办法消除,芭蕾舞者在旋转时就掌握了这样的小技巧。他们不会让头和身体从始至终完全保持一致,而是会让头部有所停顿。在这个快速启停的过程中,耳朵里的液体来不及进入稳定的旋转状态,所以芭蕾舞者停止旋转后不会觉得头晕。

角动量守恒中的“守恒”至少有两个方面的含义。第一,没有转动的物体会一直静止,如果没有外力,它不可能自己转起来。第二,物体一旦开始旋转就将一直保持旋转状态,除非遭到外力的干扰和阻挠。在我们的日常生活中,减缓物体转速的力通常是摩擦力,所以陀螺和空中翻转的硬币都会越转越慢。在没有摩擦力的理想情况下,物体真的会一直保持旋转,所以地球上才会有四季。

四季更迭和飞轮储能

英格兰北部的四季为我留下了一段段鲜明的记忆。炎热的夏日,我常常沿着运河远足。细雨绵绵的秋天是观看曲棍球比赛的好时节。寒冷刺骨的冬天,我们吃完丰盛的波兰式圣诞大餐,然后开着车回家。春天的白昼一天天变长,让人期待。分明的四季为生活增添了许多乐趣。在加利福尼亚州居住的时候,最让我不习惯的是这里模糊的四季。我感觉时间凝固了,只剩下强烈的不安。时至今日,我对季节依然十分敏感。我热爱季节的循环,喜欢体验每个季节独有的事物。别看我们生活在现代,四季依然会带给我们不同的动物、不同的空气、不同的植物乃至不同的天空。而这些丰富的细节之所以存在,正是因为物体一旦开始旋转就不会停止。

旋转是有方向的,每个旋转的物体都有一条转轴。我们可以想象地球的转轴是连通南北极的一条直线,仿佛它会微微凸出地表,指向深邃的太空。这里要注意的是,地球曾遭受太阳系内很多小型天体的撞击,人们甚至怀疑曾有行星撞击地球,产生了月亮。因此,地球自转的转轴并不完全垂直于地球公转太阳所构成的平面。

如果站在高处俯瞰太阳系,那么你会看到太阳位于中央,所有行星绕太阳旋转,其中地球的自转轴微微倾斜。地球这样的转动状态必然一直持续下去。从地球的角度观察,地球位于太阳的某一侧时,转轴的北极指向远离太阳的方向。等到6个月后,地球运行到太阳的另一侧,转轴北极指向了太阳。在地球绕太阳公转的过程中,它的自转轴不会改变方向,因为没有外力作用,所以它必将保持原来的状态。但是,这也意味着随着地球的公转,各个地区得到的日照量必然有所变化。这就是四季的来源。地球上之所以会有昼夜变换,是因为地球不断自转,季节循环则与倾斜的自转轴有关。

旋转影响着我们生活的方方面面。有一种以旋转为核心的设备可能在未来成为主流,它的名字叫作“飞轮”。任何旋转的物体都具有一定的能量,而保持旋转则意味着物体可以借此储存能量。如果你能设法在物体转速变慢时回收能量,那么你就掌握了一种能量源。这就是飞轮的工作原理。其实这种设备并不新鲜,早在几个世纪前,它就已经诞生。但是,新一轮的飞轮热潮即将到来,这种高效的现代设备将帮助我们解决很多棘手的问题。

应对不同时间段的不同需求是电网面临的最大挑战。举个例子,大家做晚饭的时间段相差无几,所以全国的供电需求会在同一个小时内飙升,随后出现回落。在理想情况下,监控系统将按需调配能源,让流入网络的电能完美地契合需求。但问题在于,如果电能来自本地烧煤的火电站,那么机组无论是启动还是关闭都需要好几个小时,而你能控制的因素其实并不多。新能源又有别的问题,比如无法控制发电时间。以太阳能为例,有太阳的时候你倒是可以轻松发电,可是没有太阳又需要电的时候又该怎么办呢?

你或许会说,搞个电池把能量储存起来,等到需要的时候再拿出来用就行了。但电池并不能完美地解决问题。电池的制造成本高昂,常常需要用到稀有金属,而且每只电池都有充放电的次数限制,除此以外,电池也不能在极短的时间内放出巨大的能量。

为了真正解决问题,经过多年的研发,业界出现了一些飞轮的原型机。这种技术已经崭露头角,值得期待。飞轮实际上是一个沉重的转盘或转筒,轴承的摩擦力极小。飞轮一旦开始转动,就会保持旋转状态。旋转必然携带能量,飞轮正是以这种方式储能的。人们可以利用电网中多余的能源驱动飞轮旋转,让它储存能量。需要能量的时候,把飞轮旋转所承载的能量转化为电能就行了。飞轮的充放电次数没有限制,充放电速度也非常快,整个过程中能量的损耗率只有10%左右,系统维护也不麻烦。

更棒的是,你可以根据自己的需求来制造不同的飞轮。家里的太阳能板只需要配个小飞轮,要调节整个电网,那就得准备一大批巨型飞轮。我们甚至可以尝试在混合动力公共汽车上安装小型便携式飞轮,公共汽车刹车时,能量可以储存在飞轮里,当它需要加速的时候,又可以拿出存储的能量。飞轮的实用性基于一条简洁优雅的原理:角动量守恒定律。鸡蛋、陀螺和旋转的茶水都遵循同样的物理定律,不过,高效的现代科技才能将原理转化为实用的解决方案。飞轮的实际应用才刚刚起步,在未来,你或许会看到这种新技术日渐普及。

第8章 异性相吸-电与磁-

磁的魔法

“自动给东西分类的口袋”听起来是个只能在梦里出现的东西,但这种东西其实是存在的。2015年,我在伦敦科学博物馆买了几个可爱的球形磁铁,有的带给了朋友,有的留给了自己——有科学玩具就该多多分享,不是吗?随后我买了杯热巧克力,玩了几分钟新玩具,然后把这几个小球塞进旅行袋里的几件连帽衫中间,继续赶路。

两天以后,我在康沃尔郡想起了那几个磁铁小球,我已经冷落它们很久了。我在旅行袋里翻了翻,发现它们粘成一团掉到了最底下,上面紧紧吸附着7枚硬币、2个回形针和1颗金属纽扣。袋子里的小块金属就这样得到了整理,这一点让我十分开心。不过接下来我又发现,旅行袋底下还有好些散落的硬币没被磁铁吸住。于是,我开始研究到底是哪些硬币会被磁铁吸引、哪些不会。面值10便士的硬币有几枚粘在磁铁上,另外几枚却没有。磁铁吸附的硬币全都是面值20便士以下的,其中最多的是1便士的和2便士的,而且制造日期都在1992年以后。

磁铁其实很挑剔,它们认为大多数材料不值得去吸引,比如塑料、陶瓷、水、木头或者活物。但是铁、镍和钴就大不相同了,只要没有外力的束缚,磁铁一定会飞一般地扑过去。我猜,我们之所以这么熟悉磁力,完全是因为铁很常见。这种元素占据了地球质量的35%,而钢(它的主要成分是铁,此外还有少量其他物质)则是现代社会用于修建公共设施的基础材料之一。如果冰箱门不是钢铁制成的,那么冰箱贴根本不会出现。钢铁无处不在,所以磁力也成了日常生活中最常见的一种力。

旅行袋里的磁铁根据硬币的材质对它们进行了分类。现在,1便士和2便士的硬币都是钢制的,只是表面镀了一层薄薄的铜。而在1992年以前,这两款硬币的铜含量高达97%。新旧两种硬币在我看来几乎毫无区别,但磁铁能够看穿它们的本质。20便士的银色硬币不会被磁铁吸引,因为它其实是铜制的。老版的10便士硬币也是铜制的,但是从2012年起,10便士硬币就改成了镀镍的钢币。被磁铁吸引的所有硬币主要成分都是铁,尽管其中有些看起来更像是铜币。

磁铁会在周围生成一个磁场,这可以说是一种“力场”。换句话说,在这个场的范围内,磁铁会对其他物体产生推力或拉力,哪怕二者并未发生接触。这听起来似乎有些奇怪,但自然规律确实如此。磁场看不见也摸不着,所以我们很难想象这是个怎样的存在。磁铁还有个最重要的特性:所有磁铁都拥有两极,即N极和S极。

任意磁铁的N极必将吸引另一块磁铁的S极,但两块磁铁的N极会互相排斥。起初我包里的硬币没有磁性,但磁铁耍了个花招,把它们都吸引过去。被吸引的硬币内部有许许多多个小区域,我们称之为“磁畴”。每个磁畴内都有一个小磁场,但它们的N极各自指向不同的方向,这些小磁场会相互抵消。硬币靠近磁铁时,磁铁产生的磁场立马对这些磁畴施加影响,让这些小磁场发生变化。变化的结果是,硬币里的S极纷纷避开磁铁的S极,靠近磁铁的N极。硬币里的N极纷纷避开磁铁的N极,靠近磁铁的S极。于是,硬币整体也有了明确的S极和N极,正好和磁铁的两极异性相吸。一旦我把硬币从磁铁上抠下来,硬币内部的磁畴又会恢复原来的状态。

人类早已学会通过各种方式利用奇妙的磁力。往小处说,我们制造了冰箱贴,往大处说,磁铁关系到发电技术的成败,因为发电设备的核心部件都有磁铁。发电当然不能单靠磁铁完成,但磁和电的关系密不可分,在现代社会中,这是一条基本的常识,基本到了我们经常对它视而不见的地步。

科幻作家阿瑟·C.克拉克曾经说过:“足够先进的科技看起来与魔法无异。”电和磁共同造就了无数魔法般的高科技。在物理学的世界里,这两种看不见的力常常同时出现,所以我们也总是把它们放在一起讨论。电和磁相互影响,密不可分。在探讨二者的关系之前,我们不妨深入了解一下我们更熟悉的电。糟糕的是,大部分人对电的初体验来得十分直接,而且常常伴随着疼痛。

静电和蜜蜂

罗得岛州是美国东北部一个民风淳朴的小州,我曾在那里住过两年。这个州的官方昵称是“海洋之州”。这是美国最小的州,这昵称听上去却无比广阔。当地人倒是不在意这一点,他们只在乎两件事:海岸线和夏天。出海之帆、捕蟹小屋、海螺沙拉、美丽海滩,这些构成了罗得岛生活的主旋律。但那里的冬天十分寒冷。游客全都消失了,当地人也缩回了屋里,如果我出门时关掉了暖气,回来后准会发现连厨房里的橄榄油都冻住了。

冬日最美的时刻,是醒来时感觉到纯粹的寂静,不用睁开眼睛就知道昨晚下了雪的时刻。我在晦暗潮湿的曼彻斯特长大,下雪总是令我激动不已。我爱雪,雪花永远不会让我厌倦。我穿上温暖的冬靴,铲尽小路上的白雪,雪地里掘洞的松鼠引得我放声大笑。在雪天特有的寂静之中,我一步一顿地走向自己的车。在下雪的清晨,当我第一次触摸到车身时,迎接我的总是强烈而令人疼痛的静电。我总是不长记性。天哪!

有时候我会埋怨汽车,但仔细想想就知道,这样很没道理。沿着小路走向汽车时,我身上携带着一群想找出路的偷渡客,静电和疼痛只是它们“跳船”产生的作用。这些“乘客”就是很小很小的电子,它们是组成物质世界的一种微粒。电子的奇妙之处在于,要感知它们的流动,你既不需要高科技和粒子加速器,也不必设计精密的实验。只要条件合适,我们的身体就能直接感受到电子的运动。不过糟糕的是,对于人体来说,电的流淌通常伴随着疼痛。

我们不妨从原子的结构说起。每个原子中央都有一个沉重的原子核,它占据了原子的大部分重量。我们能看到的所有东西基本都由质子、电子和中子三种“积木”组成,它们的电性各不相同。带正电荷的质子质量和体积都远大于电子,中子的大小和质子差不多,但它不带电。相对于质子和中子来说,电子的体形非常小,但一个电子携带的负电荷可以平衡一个质子携带的正电荷。这几种积木组成了物质世界的基本结构。质子和中子在原子中央聚集成团,形成沉重的原子核。在电荷问题上,原子是需要平衡的。正电荷和负电荷就像磁铁的N极和S极一样,排斥同类,吸引异类。于是,小小的电子聚集在了沉重的原子核周围,因为它们带有负电荷,会被带正电荷的原子核吸引。整体来说,原子内部的正负电荷相互抵消,但电荷产生的引力将原子凝聚成了一个整体。我们看到的所有物质都充满了电子,但由于电性总是平衡的,所以我们根本不会意识到这些电子的存在。只有当它们动起来的时候,我们才会注意到这些小东西。

问题在于,电荷的平衡不等于一成不变。两种不同的材料接触时,电子常常会在二者之间流动。这样的流动时时刻刻都在发生,但它通常无关紧要,因为一般而言,多余的电子很快就会回到自己应该待的地方。我穿着袜子在屋里走来走去,这不会造成任何问题——每走出一步,尼龙地毯上的一部分电子都会跑到我的脚上,但它们很快又会自己回去。不过,要是我穿上了羊毛衬里的胶底靴子,情况就不一样了。电子还是会流窜到橡胶靴底上,但它们再怎么敏捷也无法轻松穿透橡胶,因为这是一种绝缘材料。橡胶自身拥有足够的电子,但它很难吸收多余的电子。

我清理了早餐桌,穿好了外套,整理好手袋准备出门。在这个过程中,越来越多的电子通过皮肤和织物的接触聚集到了我的身上。这些多余的电子分布在我身体的表面,等我跨出门的时候,我身上已经多了几千万亿个电子,这个数字听起来大得惊人,但和我自己原本拥有的电子总量相比,这其实少得可怜。

电子为什么没有逃走?每个多余的电子都会遭到同类的排斥,只要有一条出路,它们铁定会一去不回。但我的靴子挡住了电子逃向地面的路径。它们还有另一条常见的出路:潮湿的空气。湿漉漉的空气中含有大量水分子,水分子具有极性,能吸引多余的电子。大部分情况下,我身上多余的电子会搭乘空气中的水分子迅速逃离,但在大雪之后,空气总会变得异常干燥。没有了丰沛的水分子,电子自然无路可逃。

在干燥的雪天,我沿着房前的小路走向汽车,完全不知道自己身上还搭载着那么多携带负电荷的乘客。停在地上的车就像一个有待存放大量电子的仓库。就在我赤裸的手指接触车身金属的那个瞬间,逃生通道轰然打开。金属是电的良导体,所以电子可以轻而易举地在金属中流动。我身上的电子乘客们争先恐后地透过指尖的皮肤拥向外面,它们终于获得了自由。在电流的直接刺激下,皮肤内的传感器产生尖锐的疼痛信号。于是我疼得咒骂起来,暂时忘记了雪有多迷人。

静电恐怕是大多数普通人对电最直接的体验。电是无处不在的。建筑物墙壁、电子设备、汽车、灯、钟和风扇里都有电流,但电的概念绝不仅限于插头、导线、回路和保险丝,这些东西不过是人类驯服电流之后制造的粗糙产品。在我们这颗星球上,电存在于你意想不到的很多地方,比如,一只小小的蜜蜂身上。

想象一个温暖、平静而慵懒的日子,你坐在一座英式风格浓郁的花园里,草坪边缘的燕雀有一搭没一搭地啄着虫子。在它身后,一排排生机勃勃的鲜花正在争夺水、营养、阳光和授粉者的注意力,这场战争缓慢却激烈。茉莉花和香豌豆的气息飘过草坪,炫耀着它们的美味。一只蜜蜂在花圃中飞舞,寻找着目标。这幅画面似乎相当闲适,然而对蜜蜂来说,这是一份艰苦的工作,效率十分重要。

要停留在空中,蜜蜂需要付出极大的努力——每秒振翅200次。我们听到的嗡嗡声就来自它小小的翅膀划过空气时产生的振动。对于蜜蜂这么小的生物来说,空气阻力会带来不容忽视的影响,推开大量空气分子绝非易事。使劲拍打空气,这样的飞行方式听起来似乎不够优雅,但非常实用。蜜蜂在一朵粉色矮牵牛花旁边盘旋片刻,决定停下来歇歇。就在蜜蜂即将钻进花蕊却还没有接触到花朵的那个瞬间,奇怪的事情发生了:原本好好待在花朵中央的花粉突然跳了起来,扑向蜜蜂脚上的绒毛。蜜蜂停在花瓣上以后,更多花粉粘到了它身上。它还没来得及喝一口花蜜,身上就已沾满了这朵花儿的DNA,这些花粉看起来简直像是主动跳到它身上的。

我们发现,飞行增加了蜜蜂的吸引力——这不是因为它容貌美丽、举止优雅,而是因为它的身体带电,尽管电量少得可怜。就像我在雪天的经历一样,飞行的蜜蜂身上也会聚集一些额外的电荷,但这次谁也不会感到疼痛。

蜜蜂自身所带的电子在蜂翼边缘徘徊。如果有什么东西以极快的速度从蜜蜂身边经过(例如空气里的某些分子),那么它就可能带走蜂翼边缘的电子。事情就是这样,这和常见的摩擦起电是一个道理。摩擦可以使某件物品携带的电子多于或少于合适的数量,引发不平衡的情况。蜂翼以极快的速度与空气摩擦,在这个过程中,蜂翼上的电子会被“甩掉”,进入空气之中。于是,飞翔的蜜蜂就携带了微量正电荷,因为它身上的电子数量变少了,无法平衡身上带正电的原子核。当然,蜜蜂所携带的电量非常少,它身上不会出现能被人类感知的静电现象。

蜜蜂靠近花朵时,它的身体会吸引带负电的电子,同时排斥带正电的微粒,就像磁铁的N极会吸引另一块磁铁的S极。就在它靠近花朵却还没有发生接触的瞬间,蜜蜂携带的正电对花朵表面的花粉已经产生了足够的吸引力,部分花粉离开花朵,隔空“跳”到蜜蜂身上。然后,这些花粉会吸在蜜蜂的绒毛上,就像带静电的气球会贴在墙上一样。蜜蜂带着这些花粉飞向下一朵花,完成授粉的过程。要是没有静电,花粉只有等蜜蜂降落在花朵上才有可能粘在黏糊糊的绒毛上。毫无疑问,蜂翼失去少量电子产生的正电促进了传粉。

电子体积小、移动速度快,所以电荷转移时,真正发生运动的通常是电子。电子十分活跃,但我们很少意识到这一点。带负电的电子会彼此排斥,如果大量电子聚集在同一个地方,它们会互相推挤,总有电子会被挤走。不过,有两种原因可能让电子留在原地:要么是无处可去,要么是动弹不得。飞行的蜜蜂无法得到电子,只能让正电荷在身上积聚。

还有一种情况能阻断电子的流动,而且这种情况是我们可以控制的。如果蜜蜂降落在一个塑料花盆上,正电荷就无法流入花盆,也不会有电子流到蜜蜂身上。塑料并非没有电子,但这些电子都被紧紧地束缚着,与此同时,外来的电子也无法渗入。塑料既不能容纳多余的电子,也很难失去自己的电子。绝缘体就是这样。

如果蜜蜂降落在塑料花盆上,那么它仍然带正电。不过,一柄金属园艺叉就可以立即平衡蜜蜂身上的电荷,因为金属是电的良导体,电子可以轻而易举地转移到金属中去。很多金属原子会共享自己的外层电子。这些电子时时刻刻都在移动,而且不属于任何一个特定的原子,所以它们很容易接纳或失去额外的一部分电子。

有了导体和绝缘体,我们才能建设电网、控制电能的流动。你需要将这两种材料拼成某种迷宫,迷宫中有一些路径可以让电子轻易通过,另一些路径则障碍重重。另外,你还得设法控制某些道路的关卡。一旦迷宫的基础结构建立起来,电的世界对你而言就尽在掌控了。

鸭嘴兽和海上电池

日常生活中的静电现象大多只能带来些小火花,要获得真正的力量,你得用更系统的方式移动电子。电网非常神奇,人们能让能量在这里流动,能用开关和变压器进行控制,把能量送到任何有需要的地方。电路可以让我们重新分配电能。有一点请你时刻谨记:电路是一个回路。电路必须形成闭环,这样电子才能自由流动,而不是积聚起来。一条电路的起点和终点与电源相连。电源会让电子从起点前进,并且在终点回收完成了任务的电子。电源像一部电梯,它能把乘客送到一条极高的滑梯顶端,乘客滑到地面上,然后再次搭乘电梯回到高处。下滑的过程就是释放能量的过程,回到地面的时候,乘客们的能量全都释放殆尽,需要从电源重新获得能量,然后再一次坐上滑梯。这就是电路正常运转的规则。

电子畅通无阻地沿着导线移动,那么推动它的力量到底来自哪里?导体为电子提供了可以移动的通路,但电子还需要前进的力量。

事实上,冰箱贴和带电的气球都会表现出一种神奇的特性,它们的周围会产生一个看不见的力场。力场范围内,一个物体会对附近的其他物体产生拉力或推力,但你看不到力来自哪里。这样的相似并非巧合,电场和磁场的联系在运动中更加清晰。我们先回顾一下力场的基本原理,看看在人类世界以外,动物会如何利用力场。

河床是一片幽暗的迷宫,里面布满了乱石、植物和树根。浑浊幽暗的河水在这些障碍物之间慵懒地流淌,就在水面下大约1米的地方,两根小小的触须从鹅卵石缝里探出,随着水的流动不断伸缩。如果有什么东西从附近经过,触须就会立即缩回去。这种淡水虾以食腐为生,现在它饿得要命,但还得小心天敌。上游有一位猎手滑进了浑浊的水里,它划动两只带蹼的前足向河流中央前进,接着它闭上眼睛、关闭鼻孔、堵上耳朵,毫不犹豫地扎进了水下。这只鸭嘴兽该吃晚饭了。

如果小虾完全不动弹,那它不会有任何危险。鸭嘴兽游得很快,它在河底迷宫中穿梭时显得非常自信,但它毕竟眼不能见、耳不能听、鼻不能闻。小兽扁平的喙在淤泥中左右划动,寻找猎物。随着鸭嘴兽的逼近,正在觅食的虾感觉到了水流的变化,于是它一弹尾巴,倏地缩回砾石之中。结果,猎手转了个弯追了上来。虾弹动尾巴时需要发送生物特有的电信号来控制尾部肌肉的收缩,这个电信号会以虾的身体为中心产生一个转瞬即逝的电场。在这一刻,附近的电子都会受到微弱的影响,有所移动。这个电场只存在了几分之一秒,但这已经足够。鸭嘴兽的喙有4万个电传感器分布在上下表面,一旦发现水流和电流变化,鸭嘴兽立即就能判断出虾所在的方向和距离。小兽的喙闪电般准确地刺入河床,虾难逃厄运。

虾轻轻一动就为自己招来了灭顶之灾,因为只要它一动,就会引发电场的变化。每一个电荷都可以形成电场,电场中其他电荷都会受到力的作用,但电荷位置不同,受力情况会不一样,这是“场”的概念所关注的要点。有电信号收发就意味着有电荷移动,这当然会对周围其他电荷的受力情况产生影响。所有运动都牵涉电信号在生物体内的移动,这样的变化必然波及电场,所以只要你离猎物的距离够近,探测电信号的确是一种非常有效的捕猎方式。斑斓的伪装色也不可能掩盖电信号。任何动物都会动,哪怕是最轻微的动作也会产生电信号,从而暴露行踪。

既然如此,我们为什么感觉不到自己产生的电场?这是因为人体产生的电场相对较弱。更重要的原因是,电场在空气中衰减得很快,因为空气不导电。水(尤其是含盐的海水)是电的良导体,所以电场在水中的影响更大。几乎所有依赖于电信号探测的物种都生活在水中,蜜蜂、针鼹鼠和蟑螂是我们目前所知的为数不多的几个例外。

电路内部是有电场的,电子在场中受到力的作用,运动起来。但这个电场是从哪儿来的呢?我们不妨从电池开始说起。不同电池的形状和尺寸各异,其中有一种深得我心,那就是笨重的海洋电池,我之所以特别在意它们,是因为在一场狂野的风暴中,这组漂在海面上的电池成了我完成某个重要实验的唯一指望。

为了在风暴中研究海上的物理学现象,我们需要去实地观测。海洋环境非常复杂,你必须在野外搜集足够的数据,才有可能在温暖舒适的办公室里提炼出理论。不过,就算坐着船乘风破浪,到了海岸几千米外,我依然很难接触到真正感兴趣的东西,也就是海面下深达几米的水体。弄明白那片区域发生的事,我们会更加了解海洋如何“呼吸”,还能完善天气预报和气候预测模型。想透彻地了解情况,我就得亲自进入风暴之中。这非常危险。我不能跳进风暴中的大海,但我的实验必须在海水中完成。实验需要能量,需要电源,与此同时,实验设备全都在船外的海面上自由漂流,载沉载浮。海上没有线电源,这些设备只能依靠电池。对我来说,幸运的是,漂在水里的电路和陆地上的一样可靠。

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