第一章万物之理

一、牛顿挑战贝多芬

无论是牛顿，还是贝多芬，在全球范围内都称得上是响当当的名字，提到时往往令人肃然起敬。如今，让这两位大师“决斗”，该从何说起？

追本溯源，都是爱因斯坦惹得祸。原来，他曾郑重其事地说过这样一句话：“即使牛顿或莱布尼茨从来没有存在过，世界上也总会有微积分学；然而，如果贝多芬从来没有生存于世，我们就永远不会有那些C小调交响曲。”若牛顿闻听这话，不生气才怪！

不过，话又说回来，这事也不能全怪爱因斯坦。自从科学和艺术被人们拆分开后，双方之间关系的争论就开始了。作为两个阵营里的代表人物，牛顿和贝多芬难免会被戏剧性地推到冲突的前台。

传统认为，科学是用“理性方式”把握世界的，创造的是概念世界。用概念的逻辑体系来表述客观世界运动规律的科学，是不以人的意志为转移的，并可以用逻辑论证的方法和实验的方法，由人们加以认证，具有普遍性、必然性，是客观事物规律性的反映。

而艺术则用“感性方式”把握世界，创造的是形象世界。它用艺术的形象，把历史与生活的真实同艺术家再现的历史与生活的内心情感统一起来，表达了特定个体的审美体验，激发人们的美感，弘扬更典型、更普遍、更理想的价值追求。

基于这种背景，科学成果就成了不可避免的必然结果，而艺术作品则是富有鲜明个性的独特创造，牛顿自然要“矮”贝多芬三分了。

为了说明这种科学成果的必然性和艺术成果的独创性，人们作了很多尝试。按哲学家康德的说法，艺术中存在天才，而科学中却没有，尽管科学家中不乏牛顿这样的传奇人物。科学家能够将自己的成果传授给别人，艺术家的成果却具有不可复制的惟一性，因为他们的创造秘诀无人可知。

牛顿的经典力学理论，其每一个定律，每一个参数，都有明确而清晰的来龙去脉；无论是牛顿本人，还是已经掌握了该理论精髓的人，都可以将理论推导中的每一个步骤展示给其他人，使得其他人可以理解。可是对于贝多芬来说，他根本就不可能教会别人创作出类似《命运交响曲》或《英雄交响曲》这样的作品。

不过，康德又说：“一个人无法学会创作灵感无成的诗，但是可以详尽地阐释这门艺术

的所有规则是什么，无论它的形式是如何精妙。”他认为天才的作品能够成为创意相对较少的人范本，这也正是我们设立艺术和人文学科方面院校的道理。

就在人们为科学成果的必然性不断地找寻解释和证据时，天文学家和历史学家欧文·金戈里奇作了一个与其说是对比，不如说是类比的比较。他通过对一种替代解释的实证演示法，突出展示了牛顿的科学成果中想象力和创造力的作用，同时也肯定了牛顿的研究成果的特异性。金戈里奇总结说：“牛顿的《自然哲学的数学原理》是一项个性化的成就，它使得牛顿置于像贝多芬、莎士比亚一样的创造者行列。”

但是，金戈里奇谨慎地提醒，不要把牛顿与贝多芬的类似之处夸大了。他说：“一套基本科学理论中所包含的知识的整合活动与艺术创作中构成要素的有序化工作并非完全相同。”科学理论是受自然规律约束的，需要进行实验，必要时需进行扩展，有时还会出现歪曲。科学成就能够被合理地、甚至不可避免地复述，艺术作品却不能用相同的方式进行复制。而且，从历史角度说，科学发展的过程与艺术发展的过程迥异。金戈里奇断定，对牛顿和贝多芬进行小心谨慎的比较——既包括相似也包括差异——可以使我们“获得对科学之创造特性更准确而贴切的认识”。

把牛顿与贝多芬进行比较除了能够从理论创建上展开外，也可以从设计和进行实验的角度展开。外行人看来，实验是最不需要创造性的自然而然的过程。其实，那是大错而特错的。对于一项精心设计的实验而言，没有什么东西是自动发生或必然要发生的，而设计这样的一个实验就涉及到康德所谓的天才，因为对实验者而言，没有现成的规律可循。当实验设计得足够有创意时，那么我们能够理解和控制的一些要素，例如沿斜坡滚落的球体的速度、穿过一组棱镜的光线的形状或者钟摆摆动的幅度和频率，就能反映出关于世界的某些新的东西。于是，混沌中就浮现出秩序与和谐。

对于风格在科学上与在艺术上表现出来的差异，这是不争的事实。一个实验不可能简单地从风格上判断说是“牛顿的”或“牛顿风格的”，而一个音乐家听上几个小节的演奏就能辨认出一首曲子是出自莫扎特、贝多芬还是舒伯特。但是，这并不是说科学家在科学上就没有风格了。科学实验工作包含着不同于艺术独创性的另一种独创性。虽然它仍然要受到自然规律的制约，但是它依赖于想象和创造。打开了一片崭新的研究领域。同时，一项实验是可以从任何具体的科学成就中独立出来的，是能够用不同的技术，按照不同的精度标准，采用许多其他的方式进行重复实验的。从这些方面讲，一项实验就是对人类文化的一份永久贡献。

前面说爱因斯坦话语偏颇，导致牛顿“挑战”贝多芬，不过是玩笑话，其实，爱因斯坦是非常公允的，不信你听他说：这个世界可以由乐谱组成，也可以由数学公式组成。科学与艺术，求知与审美，原本是不可分割的，如同李政道教授所说：“它们共同的基础是人类的创造力，追求的目标都是真理的普遍性。”无论是科学成果的必然性，还是艺术作品的独创性只要是一件伟大的作品，它就反映了客观真理，就体现了结构与和谐，就饱含了人类的创造力和想象力，就都是美的。

二、苹果落地的启示

一个偶然的事件往往能引发一位科学家思想的闪光。

这是1666年夏末一个温暧的傍晚，在英格兰林肯郡乌尔斯索普，一个腋下夹着一本书的年轻人走进他母亲家的花园里，坐在一棵树下，开始埋头读他的书。当他翻动书页时，他头顶的树枝中有样东西晃动起来。一只历史上最著名的苹果落了下来，打在牛顿的头上。恰巧在那天，牛顿正苦苦思索着一个问题：是什么力量使月球保持在环绕地球运行的轨道上，以及使行星保持在其环绕太阳运行的轨道上？为什么这只打中他脑袋的苹果会坠落到地上？正是从思考这一问题开始，他找到了这些的答案——万有引力理论。

由于牛顿的《自然哲学的数学原理》一书用的是欧几里德几何学的表述方式，它是一个严密的、完美的体系，书中没有叙述苹果落地的故事，致使许多人对苹果落地一说持保留意见。

实际上，牛顿的亲戚和朋友多次证实苹果落地的故事。法国文学家、科学家伏尔泰曾追忆过，他在牛顿去世前一年，即1726年去英国时，听牛顿的继姊妹说过，一天，牛顿躺在苹果树下，忽然看到一个苹果落地，引起了他的思考。牛顿灵机一动，脑中突然形成一种观点：苹果落地和行星绕日会不会由同一宇宙规律所支配的？悟出了万有引力定律。

牛顿晚年的一位密友斯多克雷也明确提到，在1726年4月的一天，和牛顿共进午餐后，一起来到牛顿家后园，并在苹果树下饮茶。在谈话中“他（指牛顿）告诉我正是在过去同样情况下，注意引力的思想出现在他的脑海里，那是在一棵苹果树下偶然发生的，当时他处于沉思冥想之中。”

还有牛顿晚年的另一位密友潘伯顿在有关追忆牛顿的著作中，也谈及因苹果落地而引起验证引力平方反比关系的故事。

牛顿在晚年再次讲述当时苹果的故事，那是离苹果落地时已经是60年过去了，为什么一个老人对此事记忆那么深刻，我认为有两个原因：首先是因为万有引力定律是一项举世瞩目的辉煌的成果，当事人对触发灵感的事件当然是深深的激动和怀念的；其次是与胡克的争执也留下深深的记忆，牛顿就从一个侧面澄清事实真相，应该认为苹果落地一说的事实是成立的。

万有引力定律

（law of gra vitation）物体间相互作用的一条定律，1687年为牛顿所发现。任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比例，而与它们之间的距离的平方成反比。如果用m1、m2表示两个物体的质量，r表示它们间的距离，则物体间相互吸引力为F=（Gm1m2）/r2，G称为万有引力常数。万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。另外，他还解释了慧星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。万有引力定律出现后，才正式把研究天体的运动建立在力学理论的基础上，从而创立了天体力学。

三、受重力影响的苔藓

许多动物与植物都搭乘宇宙飞船或航天飞机到太空里兜了一圈，在太空里都表现了与在

地面上不同的特征。然而，苔藓随着航天飞机到了太空中之后，却让科学家感到不可思议：它们的假根变成了螺旋型的了。

苔藓是一种最简单最原始的高等植物，是高等植物中惟一没有维管束的一类，因此植物体都很矮小，一般不超过10厘米。它们有茎、叶的分化，但还没有真正的根，只有毛发状的假根伸入泥土中，借以固定植株，吸收水分与溶解在水中的无机盐。

生物学家弗瑞德·苏克小心翼翼地拿起一只培养皿，里面培养的是上一次从“哥伦比亚”号航天飞机上完成了为期两周太空旅行的苔藓样品。“它们生长的外型与我预想的大相径庭，让我困惑但又令我迷惑：不知道它们为什么会长成螺旋状了。”苏克说。

经过太空旅行后，苔藓的假根生长成螺旋状。

在地球上，苔藓根部会生长发出许多由单细胞或多细胞构成的假根，这些假根会向各个方向自由地伸展，起着固定和有限的吸水作用。但是当这些苔藓成为太空居民时，情况发生了改变：假根就像有专门的舞蹈设计师给它们设计好了动作一样，都呈顺时针方向卷曲。

为什么苔藓到了太空就变得“守纪律”了呢？瑞德·苏克和他的同事对此进行了长时间

的研究。他们选取了一种叫Ceratodonpurpureus的苔藓，让它搭乘航天飞机进入太空承受失重的感觉。苔藓是一种很好的实验材料，因为苔藓的细胞结构比较单一，且能感知到重力的方向（苔藓的生长同样也具有向光性，上面提到的螺旋形的形状是在黑暗中形成的，排除了光线的干扰）。此外，苔藓的个体非常微小，不会占用航天飞机上过多的空间。

生活在空间站里的宇航员在失重的情况下方向感到也会大大减弱，对重力有“感觉”的植物也不例外。它们在太空里也会迷失方向。

现在科学家对植物究竟怎样应对地球的重力还没有完全弄清楚。有一种可能是淀粉颗粒在起作用。瑞德·苏克说，淀粉颗粒在细胞中相对来说质量比较大，在地球上它们受的重力也就大。比如在根部细胞中，淀粉颗粒在重力的作用下下沉到细胞底部。当然这种淀粉颗粒的下沉是一个复杂的过程。

在太空中，因为没有重力的束缚，按理说，这些淀粉颗粒可以自由自在地在细胞中游荡，沉淀的情况也不该发生了。但实际情况却是，这些颗粒都抱成了团。为什么呢？这也是令科学家困惑的事情。

当重力消失的时候，这些淀粉颗粒的位置就由细胞本身来决定了。由蛋白质构成的纤维网渗透在植物的各细胞中间，是它们决定了细胞的形状，同时也决定了细胞核以及细胞内其他细胞器官的位置。

这种苔藓曾经跟随哥伦比亚号航天飞机到太空一游，细胞中某一区域中聚集了许多淀粉

颗粒。莫非是这种蛋白质纤维网使得这些淀粉颗粒在微重力下抱成团？弗瑞德·苏克猜测，他设计了一个实验方案：在失重条件下用化学药品使蛋白质纤维网分解，然后观察淀粉颗粒是否依然抱成团。

即使这个问题能够解决，但是依然有更多的问题需要进一步了解。比如，使苔藓呈螺旋状生长的内在机制是什么？迄今为止，许多结论都还是研究者们的推测。比如，钙离子可以自由地进出细胞，就可以控制根尖部细胞的生长方向。在低重力下，淀粉颗粒的聚集也可能影响钙离子的运动，然后使得苔藓的细丝呈顺时针螺旋。

科学家想通过对苔藓的研究进而揭示微重力对细胞生长的影响。“哥伦比亚”号航天飞机会携带更多的苔藓升空，到时候会有更多的实验样本供科学家研究。重力对生命体的影响，也将进一步揭示。

四、电是怎样产生的

电是怎么生产出来的？回答这个问题的时候我们不得不提到一位伟大的科学家―法拉第，正是他制造了世界上第一台电磁感应发电机，成为人类电气时代的开拓者。

法拉第在一七七一年七月二十二日出生于英国，父亲是一位制铁的工人，家境不好。法拉第没有机会进入学校进行正规教育，只能在一个书店做学徒，好学的法拉第在七年的时间内积累了大量的电学知识。一次偶然的机会使他成为当时伦敦皇家学院院长戴维的助手，从而改变了他的一生，最终成为了一名伟大的科学家。

一八二０年丹麦哥本哈根大学的奥斯特，偶然中发现一条通有电流的导线，当贴近磁针时，磁针就会偏转，不再指向北极了。电流和磁石这两种奇妙的现象，原来人们以为是毫无联系的，现在竟发现有这样的联系，引起了世界科学家们的注意。法拉第也立即被这一发现吸引住。

就在这一年戴维发现，凡是钢铁被通过电流的导线环绕时，便成为磁铁，即电磁铁。一八二一年英国化学家武拉斯吞当听到奥斯特的发现之后便想到，如果磁石的一端放进一根通电流的导线，电线就应该自行旋转起来。于是便到戴维的实验室里去作实验，结果失败了。这次失败使武拉斯吞很扫兴，便不想再继续作下去了。

但是法拉第却觉得这是有希望的。他决定自己去作这样的实验。一八二一年九月三日，他终于第一次看到了通电的导线在磁场中发生旋转的现象。他在实验室中高叫着：“它们转动了！”他象个孩子似地围着桌子狂跳起来，并把他刚刚结婚的妻子呼唤到他的实验室里去参观他的这个成功的实验。这是法拉第在二十九岁时发生的事。

法拉第常常问自己：电转化为磁是一种感应，为什么不能有一种反感应呢？既然由电可

以产生磁，又为什么不能由磁而产生电呢？一八二二年法拉第在自己的日记中写着：“转磁为电”。这就是他需要为之奋斗的目标。法拉第也认识到电是一种很有用的东西，伏特电池虽可以获得稳定的电流，但价钱太昂贵，能花很少的钱产生出电流来，这是当时的急需。

有一天，他得到一块圆柱形的长条磁石，长8.5英寸、厚3/4英寸的圆柱形磁石，又以203英尺长的铜线绕在一个空的圆筒内，铜线的两端串接一个电流计，铜线是不通电流的。他将磁石的一端挨近铜线，电流计的指针不动。忽然他把磁石完全插入铜线圈内，电流计的指针却突然动起来了。他急忙又把磁石抽了回来，指针又动了一下。难道真的有电流产生出来了吗？法拉第惊喜起来。他试了一次又一次，果然感应电流产生出来了。这是法拉第一生中最大的发现。

电动机的诞生

法拉第又坚持研究很久才得出结论：金属线与磁石之间的相对运动是产生感应电流的必要条件。进一步他又引入了磁力线的概念，总结出被后人称为法拉第电磁感应定律的定理。为了使磁电为人类所用，他又制造了世界上第一台电磁感应发电机。当然，这一部发电机是很简陋的，却是日后复杂发电机的始祖。他把一块铜制平面板的边，放于一块有永久性磁力的磁石两端之间，又把一片狭长的铜和一片狭长的铅放，放在平面板的边上，作为收电之用，然后又装上一个电流计，当平面板旋转时，电流计上的指针也随着移动，这样，一种有变化的电流，就在铜制平面板的边中产生了。

两百多年过去了，尽管现在发电机的种类繁多，如同步发电机、异步发电机等；容量从几微瓦到上亿瓦；发电方式各不相同，有火力发电、水力发电、风能发电、核能发电等。但是他们的原理却是与法拉第造的第一台发电机的原理是相同的，都是法拉第电磁感应原理。

当然不可否认，科技的发展也产生新的发电原理，如磁流体发电，太阳能电池，燃料电池等，但是它们还只是停留实验室中，未被大量使用。展望未来，各种发电方法定会给我们带来更多方便、洁净的电能。

静电利与弊

我们知道，摩擦可以起电。摩擦后的正负电荷是被束缚在带电体上的。它不能像电线中的电荷那样定向移动，所以，人们称之为静电荷，简称静电。

静电的危害很多，它的第一种危害来源于带电体的互相作用。在飞机机体与空气、水气、灰尘等微粒摩擦时会使飞机带电，如果不采取措施，将会严重干扰飞机无线电设备的正常工作，使飞机变成聋子和瞎子；在印刷厂里，纸页之间的静电会使纸页粘合在一起，难以分开，给印刷带来麻烦；在制药厂里。由于静电吸引尘埃，会使药品达不到标准的纯度；在放电视时荧屏表面的静电容易吸附灰尘和油污，形成一层尘埃的薄膜，使图像的清晰程度和亮度降低；就在混纺衣服上常见而又不易拍掉的灰尘，也是静电捣的鬼。静电的第二大危害，是有可能因静电火花点燃某些易燃物体而发生爆炸。漆黑的夜晚，我们脱尼龙、毛料衣服时，会发出火花和“叭叭”的响声，这对人体基本无害。但在手术台上，除电火花会引起麻醉剂的爆炸，伤害医生和病人；在煤矿，则会引起瓦斯爆炸，会导致工人死伤，矿井报废。

总之，静电危害起因于用电力和静电火花，静电危害中最严重的静电放电引起可燃物的起火和爆炸。人们常说，防患于未然，防止产生静电的措施一般都是降低流速和流量，改造起电强烈的工艺环节，采用起电较少的设备材料等。最简单又最可靠的办法是用导线把设备接地，这样可以把电荷引人大地，避免静电积累。细心的乘客大概会发现；在飞机的两侧翼尖及飞机的尾部都装有放电刷，飞机着陆时，为了防止乘客下飞时被电击，飞机起落架上大都使用特制的接地轮胎或接地线；以泄放掉飞机在空中所产生的静电荷。我们还经常看到油罐车的尾部拖一条铁链，这就是车的接地线。适当增加工作环境的湿度，让电荷随时放出，也可以有效地消除静电。潮湿的天气里不容易做好静电试验，就是这个道理。科研人员研究的抗静电剂，则能很好地消除绝缘体内部的静电。

然而，任何事物都有两面性。对于静电这一隐蔽的捣蛋鬼。只要摸透了它的脾气，扬长避短，也能让它为人类服务。比如，静电印花、静电喷涂、静电植绒、静电除尘和港电分选技术等，已在工业生产和生活中得到广泛应用。静电也开始在淡化海水，喷洒农药、人工降雨、低温冷冻等许多方面大显身手，甚至在字宙飞船上也安装有静电加料器等静电装置。——摘自北京科技报

垃圾发电大有作为

垃圾即废物，本来是不能与能源或矿藏划等号的。不错，从生态环境角度讲，垃圾是污染源；但从资源方面看，垃圾也许是地球上惟一的不断增长的可再生资源。废物利用，变废为宝，垃圾发电将大有作为。

我国是世界上的垃圾资源大国。前不久召开的“全国城市生活垃圾处理及资源化利用经验交流会”宣布，我国城市人均每年“生产”垃圾440公厅。1997年，全球“制造”垃圾5亿吨，我国占1.3亿吨。在许多地区，垃圾堆积成山，不仅占用大量土了，也影响城市环境与观瞻，污染空气，也为各种菌毒、蚊蝇提供理想的栖身繁衍场所。间接地危害人的身心健康。可见，中国的垃圾问题亟待解决。面对垃圾泛滥成灾的状况，世界各国的专家们已不仅限于控制和销毁垃圾这种被动“防守”，而是积极采取有力措施，进行科学合理地综合处理利用垃圾。有些国家政府甚至将垃圾利用作为维系经济持续发展的“第二资源”。

从20世纪70年代起，一些发达国家便着手运用焚烧垃圾产生的热量进行发电。欧美一些国家建起了垃圾发电站，美国某垃圾发电站的发电能力高达100兆瓦，每天处理垃圾60万吨。现在，德国的垃圾发电厂每年要花费1千亿美元，从国外进口垃圾。据统计，目前全球已有各种类型的拉圾处理工厂近千家，预计3年内，各种垃圾综合利用工厂将增至3千家以上。科学家测算，垃圾中的二次能源如有机可燃物等，所含的热值高，焚烧2吨垃圾产生的热量大约相当于1吨煤。如果我国能将垃圾充分有效地用于发电，每年将节省煤炭5千万-6千万吨，其“资源效益”极为可观。

垃圾发电之所以发展较慢，主要是受一些技术或工艺问题制约。比如发电时燃烧产生的剧毒废气长期得不到有效解决。日本去年推广一种超级垃圾发电技术，采用新型汽熔炉，将炉温升到500℃，发电效率也由过去的一般10%提高为25%左右，有毒废气排放量降为0.5%以内，低于国际规定标准。当然，现在垃圾发电的成本仍然比传统的火力发电高。专家认为，随着垃圾回收、处理、运输、综合利用等各环节技术不断发展，工艺日益科学先进，垃圾发电方式很有可能会成为最经济的发电技术之一。从长远效益和综合指标看，将优于传统的电力生产。尤其是作为“绿色”技术，垃圾发电的环境效益、社会效益等都是无形的、巨大的。

我国的垃圾发电刚刚起步，但前景乐观。我们丰富的垃圾资源，其中有极大的潜在效益。现在，全国城市每年因垃圾造成的损失约近300亿元(运输费、处理费等)，而将其综合利用却能创造2500亿元的效益。现在，上海等城市已开始建造垃圾发电厂。武汉市也与荷兰、美国、加拿大等达成协议，由外商投资在武汉兴建垃圾处理场和发电站，用于发电或生产管道煤气。建造垃圾处理或发电厂，将启动“垃圾新产业”，并带动其他许多相关产业的发展和劳动就业率的提高。完全有理由期待：垃圾将为人们造福。——摘自北京科技报

太阳光发电和太阳热发电

地球所接受的太阳能功率，平均每平方米为1353千瓦，这就是所谓的“太阳常数”。也就是说，太阳每秒钟照射到地球上的能量约为500万吨煤当量。就是这些能量比目前全世界人类的能耗量大3.5万倍。虽然很久以来，人们在不同程度地利用着其能量，最近，温水器的直接利用，空调、太阳能电池的电力供给以及太阳能住房等方面都有了很大发展。很自然的想法是向太阳要电能，但怎样有效的利用太阳所恩赐的能量，使其成为下世纪的一大可利用能源，是新能源开发中的一个重要课题。

太阳能转换为电能有两种基本途径：一种是把太阳辐射能转换为热能，即“太阳热发电”；另一种是通过光电器件将太阳光直接转换为电能，即“太阳光发电”。

太阳热发电，全世界以以色列的技术最为先进。吸取加州的技术，巴西、印度、摩洛哥正在计划进行设备的建设，世界银行已开始提供资金给开发中的国家。入射到地球表面的太阳能是广泛而分散的，要充分收集并使之发挥热能效益，就必须采取一种一种能把太阳光发射并集中在一起，变成热能的系统。一种方法是采取一种能把太阳光发射并集中集中加热，转换成为高温水蒸气，以蒸汽涡轮机变换为电。也可以采用抛物面型的聚光镜将太阳热集中，使用计算机让聚光镜追随太阳转动。后者的热效率很高，将引擎放置在焦点的技术发展的可能性最大。

除了太阳热发电技术外，目前人类社会也在大力开发太阳光技术。太阳辐射的光子带有能量，当光子照射半导体材料时，光能便转换为电能，这个现象叫“光生伏打效应”。太阳电池就是利用光生伏打效应制成的一种光电器件。太阳电池与普通的化学电池(干电池、蓄电池)完全不同，是一种物理性质电源。虽然太阳光一照射太阳电池就能发电，但它与一般的发电机大相径庭，它无旋转和磨损，能静悄悄地发电。

神奇的“氦电”

“氦电”是一种从氦元素和它的同位素中获取的电能，是一种大有希望的新型能源。

1868年，法国天文学家詹逊观测日食的时候，在日冕光谱中发现了氦。这种稀有气体，充斥在宇宙空间大气层中。它无色无味，在空气中大约占整个体积的0.0005%，密度只有空气的1/7.2，是除了氢以外密度最小的气体。别看氦的数量少、密度小，但它的本领可不一般。能够应用于填充霓虹灯、电子管、飞艇和飞船，也可用于原子反应堆和加速器，冶炼和焊接金属时还可以用作保护气体。

当夜晚走过繁华闹市的时候，五颜六色的霓虹灯会使人感到进入一个神奇的境地，而氦在里面发挥了重要的作用。在玻璃细管中充入氦，经过通电激发产生能量，从而能够发出浅红色的光。此外，以氦、氖为工作介质，不能够制成氦-氖激光器，在激光技术运用中发挥重要的作用。在对某些金属进行焊接加工的时候，往往还要请氦来充当保护气。比如人们常见的金属铝，在遇到高温的情况下，跟周围的空气很容易发生氧化反应而生成氧化铝，所以，对其进行焊接十分困难。如果在铝的周围用氦保护起来，使铝锐离与空气的接触，再来焊接就会很容易进行。

人类社会进入20世纪90年代之后，科学家利用氢的同位素氚和氚进行控制性瓜，取得突破性的进展。作为这种受控热核反应重要元素的氚，在自然界中并不存在，需要从核反应中获取。因此，美国科学家提出一个以氦的同位素氦-3代替氚的新设想。这样，受控热核反应装置既不存在放射性，又可以用氚反应的体积小，结构简单，造价也低。现在，人类探测到月球表面覆盖着的一层由岩悄、粉尘、角砾岩和冲击玻璃组成的细小颗粒状物质。这层月壤富含由太阳风粒子积累所形成的气体，如氢、氦、氖、氩、氮等。这些气体在加热到700℃时，就可以全部释放出来，其中，氦-3气体是进行核聚变反应发电的高效燃料，在月壤中的资源总量可以达到100-500万吨。另据计算，从月壤中每提炼出一吨氦3。还可以获得约6300吨氢气、700吨氮气和1600吨含碳气体(CO、CO2)。所以，通过采取一定的技术措施来获得这些气体，对于人类得到新的能源和维持永久性月球基地十分必要。

随着航天技术发展，科学家已设计出一种装置来收集月壤中的氦-3，经试验证实，利用氚和氦-3的热核聚变反应是最理想的一种核聚变反应，它转换为电能的效率最高，而产生的放射性最低。如果今后每年能够从月壤中开采1500吨氦-3，就能够满足世界范围内的能源需要。若再考虑到其它星球上的氦-3，那么，利用氦能发电的前景将是无比乐观的。

五、奇形怪状的闪电

闪电的形状有好几种：最常见的有线状(或枝状)闪电和片状闪电，球状闪电是一种十分罕见的闪电形状。如果仔细区分，还可以划分出带状闪电、联珠状闪电和火箭状闪电等形状。线状闪电或枝状闪电是人们经常看见的一种闪电形状。它有耀眼的光芒和很细的光线。整个闪电好象横向或向下悬挂的枝杈纵横的树枝，又象地图上支流很多的河流。

线状闪电与其它放电不同的地方是它有特别大的电流强度，平均可以达到几万安培，在少数情况下可达20万安培。这么大的电流强度。可以毁坏和摇动大树，有时还能伤人。当它接触到建筑物的时候，常常造成“雷击”而引起火灾。线状闪电多数是云对地的放电。

片状闪电也是一种比较常见的闪电形状。它看起来好象是在云面上有一片闪光。这种闪电可能是云后面看不见的火花放电的回光，或者是云内闪电被云滴遮挡而造成的漫射光，也可能是出现在云上部的一种丛集的或闪烁状的独立放电现象。片状闪电经常是在云的强度已经减弱，降水趋于停止时出现的。它是一种较弱的放电现象，多数是云中放电。

球状闪电虽说是一种十分罕见的闪电形状，却最引人注目。它象一团火球，有时还象一朵发光的盛开着的“绣球”菊花。它约有人头那么大，偶尔也有直径几米甚至几十米的。球状闪电有时候在空中慢慢地转游，有时候又完全不动地悬在空中。它有时候发出白光，有时候又发出象流星一样的粉红色光。球状闪电“喜欢”钻洞，有时候，它可以从烟囱、窗户、门缝钻进屋内，在房子里转一圈后又溜走。球状闪电有时发出“咝咝”的声音，然后一声闷响而消失；有时又只发出微弱的噼啪声而不知不觉地消失。球状闪电消失以后，在空气中可能留下一些有臭味的气烟，有点象臭氧的味道。球状闪电的生命史不长，大约为几秒钟到几分钟。

带状闪电。它由连续数次的放电组成，在各次闪电之间，闪电路径因受风的影响而发生移动，使得各次单独闪电互相靠近，形成一条带状。带的宽度约为10米。这种闪电如果击中房屋，可以立即引起大面积燃烧。

联珠状闪电看起来好象一条在云幕上滑行或者穿出云层而投向地面的发光点的联线，也象闪光的珍珠项链。有人认为联珠状闪电似乎是从线状闪电到球状闪电的过渡形式。联珠状闪电往往紧跟在线状闪电之后接踵而至，几乎没有时间间隔。

火箭状闪电比其它各种闪电放电慢得多，它需要l—1.5秒钟时间才能放电完毕。可以用肉眼很容易地跟踪观测它的活动。

人们凭自己的眼睛就可以观测到闪电的各种形状。不过，要仔细观测闪电，最好采用照相的方法。高速摄影机既可以记录下闪电的形状，还可以观测到闪电的发展过程。使用某些特种照相机(如移动式照相机)，还可以研究闪电的结构。

六、同性相斥异性相吸的磁

我们的生活每时每刻都和磁性有关。没有它，我们就无法看电视、听收音机、打电话；没有它，连夜晚甚至都是一片漆黑。

人类虽然很早就认识到磁现象，但直到了现代，人们对磁现象的认识才逐渐系统化，发明了不计其数的电磁仪器，象电话、无线电、发电机、电动机等。如今，磁技术已经渗透到了我们的日常生活和工农业技术的各个方面，我们已经越来越离不开磁性材料的广泛应用。

由于物质的磁性既看不到，也摸不着，我们无法通过自己的五种感官（听觉、视觉、味觉、嗅觉、触觉）直接体会磁性的存在，但人们还是在实践中逐步揭开了其神秘面纱。

磁铁总有两个磁极，一个是N极，另一个是S极。一块磁铁，如果从中间锯开，它就变成了两块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么小，它总是有N极和S极，也就是说N极和S极总是成对出现，无法让一块磁铁只有N极或只有S极。

磁极之间有相互作用，即同性相斥、异性相吸。也就是说，N极和S极靠近时回相互吸引，而N极和N极靠近时回互相排斥。知道了这一点，我们就明白了为什么指南针会自动指示方向。原来，地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近。这样，如果把一块长条形的磁铁用细线从中间悬挂起来，让它自由转动，那么，磁铁的N极就会和地球的S极互相吸引，磁铁的S极和地球的N极互相吸引，使得磁铁方向转动，直到磁铁的N极和S极分别指向地球的S极和N极为止。这时，磁铁的N极所指示的方向就是地理的北极附近。

地球磁现象

地球磁场是人类生活离不开的一种环境因素。在前面介绍我国对于古代磁的发现、发明和应用方面的贡献，在这里将介绍的地球磁场在地球演化、生物活动和人类生活等方面的作用，都将认识到地球磁场和相关的地球磁现象的重要。但是这方面的内容也是十分丰富的，我们也仅能在这里介绍一些典型和重要的例子，即下面分别介绍的地球磁场的变化及其应用，地球磁场的反向，古地球磁场的变化研究及其重要应用，地球磁场的起源。这里还要说明一下，我们在这里介绍的不仅有一般的地球磁(场)现象，而且还将介绍岩石磁现象，古地磁现象等以及它们的应用，地球磁场的来源和演化等。地球磁场一般也简称地磁场。地磁学一般仅指关于地磁场的测量和研究，但是地球磁学就包括地磁学、岩石磁学、古地磁学和地球磁场的起源和演化。

宇宙磁现象

宇宙磁现象是指地球以外的各种星体和星体之间的星际空间的磁现象。宇宙磁现象所涉及的空间范围和时间尺度都远超过地球。因此在这里只能选取其中一部分大家可能更为关心和更感兴趣的宇宙磁现象，如阿尔法(α)磁谱仪上天(空间)探测、“阿波罗”飞船登月测月磁、太阳磁活动与太空气象学、脉冲星与超强磁场。

基本粒子磁现象

基本粒子是构成原子和原子核的更小和更深入一层的粒子。但因随着科学研究的深入和进展，原来看作是基本粒子的也由更深层次的粒子的发现而变为非基本粒子了。例如历史上曾经把原子、随后又把原子核看作是基本粒子，但是后来更进一步的研究表明，原子和原子核都不再是基本粒子。因此把基本粒子称为粒子。这里为了避免一般的误解，把基本粒子同常用的材料粒子和颗粒等相混淆，仍采用“基本粒子”一词，只是要理解“基本”是随着历史和科学进步而改变的。从当代科学研究和应用看，基本粒子的磁性研究和应用也是很广泛的。这里我们只介绍其中的一部分：电子磁矩的精密测量和理论计算，中子没有电荷却有磁性，磁单极子的探测和理论研究，夸克粒子和超子的磁性。

七、纳米效应

纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

表面效应

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略。

超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2*10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。

超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

小尺寸效应

随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。

（1）特殊的光学性质

当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

（2）特殊的热学性质

固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0．1～1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。

（3）特殊的磁学性质

人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2′10-2微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2′10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6′10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。