1701091709
疯狂实验史 1837 吹巴松管的达尔文
1701091710
1701091711
有些实验是人类从实验动物的视角想象出来的。在一只盛土的盆子里有一条蚯蚓，当它越过盆边张望，会看到什么呢?有史以来最伟大的自然科学家之一——查尔斯·达尔文，把他的巴松管放在离盆子很近的地方，倾力吹奏出尽可能低沉的声响。谁要是认为蚯蚓会大吃一惊，他就错了。这位学者已经同样为它演奏了笛子和钢琴。
1701091712
1701091713
达尔文不仅建立了进化论学说，他还用长达40多年的时间深入研究了蚯蚓的生活。与此同时，他还希望澄清一个问题，那就是蚯蚓是否有听力。这些蚯蚓对任何乐器演奏都没有反应。达尔文大喊的时候它们也无动于衷，达尔文于是在1881年出版的书《腐植土的产生与蚯蚓的作用》(The Formation of Vegetable Mould，through the Action of Worms)中得出结论：蚯蚓没有听觉。
1701091714
1701091715
1701091716
1701091717
1701091719
疯狂实验史 1845 铁道上的号手
1701091720
1701091721
这可能更像是达达主义者的一场音乐会：1845年6月3日在荷兰乌得勒支至马尔森路线上往返的机车拉动着唯一一节敞篷车厢，上面站着3个男人。其中一人在表格中记录数据，另一人只要接到第三人给的信号便在他的小号上吹奏出“5”音。
1701091722
1701091723
司机位上坐着司炉，他身边的克里斯托弗·拜斯巴洛特(Christoph Buys Ballot)此刻正在仰望天空，期待天气不要骤然变化。这位28岁的物理学家在2月份时就曾不得不中断实验。当时雪片打在乐手脸上，乐器因为温度太低而变得走调。不过这个周二倒算是个和暖的夏日，拜斯·巴洛特获得了进行实验的良机。这个实验借助6个号手、2只表和1节机车，目的是检验一位素不相识的奥地利教授1842年所写的关于星体颜色的理论。
1701091724
1701091725
这时距拜斯·巴洛特拿到一部《多普勒先生小论文》已过了3年。在文章《论双星及空中其他天体彩色的光》中，克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler)提出假想：一个人以极快速度接近或离开光源时看到光源的颜色与他静止不动时所看到的不同。日常生活中人们无法观察这一现象，因为只有在非常高速的条件下它才会出现。但多普勒深信，有谁想要确认他的理论，只要观察星星就可以了。
1701091726
1701091727
天文学家将夜空中的星体划分成两类：白色的和彩色的。白色的是单星，看起来静止不动，而彩色的多属双星：相互围绕运行的2颗星。多普勒认为，双星呈彩色与2颗星交替靠近和远离地球有关。他的这一理论被称作多普勒效应，载人了物理学史。
1701091728
1701091729
人们对光的本质进行过不同论争，到了多普勒生活的时代已经在很大程度上取得一致，即光像渡一样传播，彩色的出现是由于光波传播速度不同：紫光最快，红光最慢，介于两者之间的有蓝光、绿光、黄光和橙光——和彩虹的颜色一样。人们看见红色还是蓝色，取决于“光波冲击”相继以多快的速度到达人眼。令多普勒感到吃惊的是，此前从未有人注意到光源和观察者的活动也会发生作用。一个人走向光源、逆着光渡将会遭遇到比静止时更快的一次次的“光波冲击”。反之如果他远离光源就可逃避冲击，因为此时“光波冲击”频率变慢，赶上他需要更多时间。而把情况颠倒过来，观察者静止，光源移动，上述推理同样成立。多普勒用轮船的例子说明这种效应，一艘迎浪行驶的船“在相同时间内要比一艘没有发动的或是干脆顺波浪方向前行的船经受数量更多的浪头和猛烈得多的冲击”。
1701091730
1701091731
他还在论文中算出必须达到何种速度才能用肉眼观察到这一效应：每秒钟33英里。这是个让任何一位乐观的研究者都会失去信心的数值，他们无法在实验室里证明多普勒效应。
1701091732
1701091733
其实解决办法还是有的，多普勒本人也注意到了；与光线一样，声音也以波的形式向外传播，只是速度比光慢得多，由此推测，对光线所做的假想用于声音应该“完全地、严格地”符合。声波来自空气压力迅速而微小的变化，能够被人耳感知。仍旧以逆浪航行的轮船为例，当人们向声源移动时，声波以更快的频率冲击耳朵，与声源发出的声音相比，声调显得更高。多普勒计算，把“7”音听成高半度的“i”音，需要声源以每秒钟68英尺(70千米／时)的速度接近观察者。
1701091734
1701091735
70千米／时，自从此前一个世纪蒸汽机车发明以来，这个速度就在人们可以达到的范围之内。拜斯·巴洛特请求莱因铁路局经理出面帮忙，经理帮他从内政部要来一份“免费使用一节机车”的许可。
1701091736
1701091737
最初拜斯·巴洛特想用机车的汽笛充当声源。因为汽笛声音响亮，相距很远也能听见。但通过预备实验他发现汽笛的声调很不纯正很不单一，乐师很难准确断定它的高低。于是拜斯巴洛特扩大了他的助手团队，增加了一批号手，他们都是在乌得勒支能够找到的最好的号手。其中一位号手与两名协助者共同随车厢前进，其余号手分成3组等在轨道旁，每组间隔400米。
1701091738
1701091739
火车前行途中，车厢上的号手按实验要求吹奏“5”音，站在铁轨旁的乐手们各自记录音调的不同。火车回退时角色倒置：轨道边的号手吹奏小号，车厢上的乐师确定他所听到的音高。
1701091740
1701091741
拜斯·巴洛特的实验设想非常筒单，执行起来却困难重重。为了所生成的音调区别尽可能明显。火车就应该尽可能快地行驶，但开得越快，噪声越大，听到的号声越不清楚。另外，要是火车迅速走远，声音很快就听不到了。但如果火车走得很慢，音调的差别就非常细微，难以辨别。拜斯·巴洛特用2只表来测算，最终将速度定在每小时l8—72公里之间。令他恼火的是机车司机无法保保证匀速行驶。巴洛特最大的难题似乎还不在技术方面，而在于人类的特有属性：尽管他对吹奏步骤制订了非常精准的计划，乐手们却做不到在完全相符的时间内吹响小号。这次有个人忘记吹了，下次突然又有2个人一同吹起来。在《渡根多夫物理化学编年史》(Poggendorff’s Annalen der Physik und Chemie)一书中，巴洛特建议效仿者再做这个实验时找些“更加严守纪律的人”。
1701091742
1701091743
巴洛特在6月3日的实验中使用了阀门号，6月5日，他用声音更响的信号重新做了一遍实验，虽然还有一些“不规律性”，但已能够证明多普勒的理论。乐手们一致认为，号手靠近时的音调比号手远离时要高。实验以前曾有几位乐手对理论表示质疑，因为一辆疾驰而过的马车所发出的声响并没有这种音调高低变化的效果，巴洛特的解释十分简单：马车发出的声音并非只有单纯音调，而是不同音高的混合。即便乐感很好，想从这里听出变化也是不大可能的。
1701091744
1701091745
基于同样理由，巴洛特认为多普勒犯了错误：毫无疑问他的理论是正确的，但这并不是对于星体颜色的解释。星体发出的光是混台光，由不同颜色组成。如果因为多普勒效应星体间相对速度变快，就会缺失频率最低的红色。
1701091746
1701091747
多普勒认为通过双星可以观察颜色变化，但他忽略了星球在不可见的红外范围同样发光。红外光线比红光还要更慢一些，通过多普勒效应很容易移动进入可视领域。所以事实上对于人眼接受来说没有发生任何改变。多普勒选择了一个恰恰不是因为多普勒效应才产生的现象——双星的颜色，做他的论文题目。殊不知星球本来就发出彩色的光。
1701091748
1701091749
如果是在今天，多普勒很可能就不用双星而用救护车作为他理论的证据了：每个孩子都知道，救护车靠近时，喇叭的声调变高。远离时就会变低。
1701091750
1701091751
今天，在天文，化学、医药领域，无数技术应用都以多普勒效应为原理。飞机的导航系统靠它工作，没有它就不能提出宇宙大爆炸理论，雷达陷阱也用到了它。
1701091752
1701091753
巴格特没有预见到如此遥远的未来，他觉得多普勒效应用于实践的唯一可能就是“没准儿以后会造出更好的乐器来”。
1701091754
1701091755
◆访问www.walter－fendt.de/ph14d/doppler.htm观看多普勒效应的动画。
1701091756
1701091757
[
上一页 ]
[ :1.701091708e+09 ]
[
下一页 ]