书城科普读物趣味科学馆丛书:改变历史进程的发明
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第15章 仪器的故事(2)

惠更斯大学毕业后,很快出版了一本关于二次方程式的数学著作,引起学术界的注意,一时名声大噪。

不久,惠更斯致力于光学的研究,发现光是以波的形态传送的。这个重大的发现,确立了他在学术界的地位。但是,惠更斯并不因此而感到满足,他经常勉励自己说:“现在,我已经小有名气,我必须珍惜这得来不易的声名,继续努力,挖掘出更多的宇宙、自然的奥秘。”是的,正是因为他有不断进取,执著的追求,才使他做出许多重大的科学发现。

1655年,惠更斯利用自己设计的小望远镜观测土星,发现土星的周围环绕着一圈光环。9年后,惠更斯又发现了土星的第六颗卫星,即土星的最大的卫星——泰坦(土卫六)。这些发现,使人类对土星的研究,向前迈进一大步。

另外,在星云研究方面,惠更斯也有很大的贡献。他不但是世界上第一位发现猎户座腰带三星下面有一群大星云的天文学家,同时,他也发现这群星云,被一层淡绿色扇形的明亮星云所包围。

我们都知道,天文学家观察并记录天上的星辰时,对时间的准确性要求很高,但是,惠更斯那个时代的计时器准确性却非常低,他为了这个问题简直伤透了脑筋。

有一天,因为时间的误差,惠更斯错过一次观察土星的机会。这引起了他的思索,他不禁想到:“既然没有人能够发明出更准确的时钟,我为什么不动手研制呢?”

惠更斯说做就做,他绞尽脑汁,日夜苦思,终于设计出一座活动摆钟,为人类计时器带来革命性的进步。提到惠更斯的发明,我们不得不由计时器的发展谈起。

在没有钟表以前,人们所用的计时工具叫做“日圭”或“圭表”,它利用阳光照射在物体上所投射的影子来计时,和现在所说的“日晷仪”差不多。

最初的日圭是泥土制造的,也叫“土圭”。土圭有一块平放的土板叫“圭”,上面有刻度;土板的一头插一根小竹竿或小木棒,叫做“表竿”,表竿的影子落在哪个刻度上,就表示什么时刻。

后来,有人把长方形的日圭做成圆盘形,还把一天分为12个时辰,刻在圆盘上,成了圆形的圭,以后再经过改进,成了较精确的日晷仪。

日晷仪有一个缺点,就是只能在有阳光的白天使用,到了晚上,或是碰到阴天、雨天,便不管用了。因此,有些地方的人使用特制的蜡烛、香、漏等来计时。最简单的漏,只是个盛水的罐或壶,内壁有刻痕,底部有个小洞,让水一点一滴地漏出,然后人们便可以由水面的高低得知时间。此外,漏也可以用沙来计时,叫“沙漏”。但是,用漏计时必须有人看管,而且做得越精细,费用就越高,所以只有皇宫、政府机关、寺庙等使用,普通人家是无法装用的;同时,漏的准确度也不高摆钟构造,并不是理想的计时工具,于是又有人发明了机械钟。

最早的机械钟叫“塔钟”,约在13世纪发明成功。这种钟架在高塔上,利用重锤下坠的力量带动齿轮,齿轮再带动指针走动,并用“擒纵器”控制齿轮转动的速度,以得到比较正确的时间。但是,利用重锤驱动的钟,只能高高地架在塔上,很不适用。因此,德国人彼德·亨利,在1500年发明了用弹簧驱动的钟。当意大利科学家伽利略发现物体摆动时,不管弧度多大,它来回摆动一次的时间永远相等。不久,他把他的发现发表出来。几年后,惠更斯读到伽利略的论文,他禁不住想道:

“既然物体的摆动有等时的特性,那么,如果能利用物体摆动的力量来驱使钟里的齿轮转动,不是可以得到更准确的时间吗?”

想到这里,惠更斯非常兴奋,立刻进行计时器的实验。失败了,又失败了……他孜孜不倦,功夫不负有心人,经过一连串的实验后,惠更斯终于设计出一个钟摆机构,取代塔钟里的平衡轮,并在1656年委托制钟匠,成功地制造出第一座实用的摆钟。

可是,惠更斯对摆钟的准确度并不满意。他继续研究,不久,又在齿轮上加装一根弹簧,把它改良成现在所说的“摆轮”,使摆钟的误差每天不超过2分钟。第二年,惠更斯获得了摆钟的专利权,并出版了《摆钟》一书。

由于惠更斯在物理学、天文学和数学等方面都做出了杰出的贡献,1663年,他成为英国伦敦皇家学会的第一位外国会员。1665年,惠更斯应路易十四的邀请去法国。第二年法国皇家科学院成立,他被选为会员。著名的“惠更斯原理”,就是在法国提出的。惠更斯原理是光的波动理论的核心。

惠更斯毕生致力于自然科学的研究,取得了卓越的成就。他为人忠诚、谦逊、诚恳,他的成就的取得,一方面是由于他具有坚强的毅力,不怕困难,不怕挫折,不怕权威,敢于坚持科学真理的英雄气概;另一方面是与他的老师、父亲的教育,尤其是笛卡尔的光辉的学术思想的影响和哺育分不开的。知识点土卫六土卫六泰坦是土星最大的一颗卫星。由荷兰物理学家、天文学家和数学家克里斯蒂安·惠更斯于1655年3月25日发现,它也是在太阳系内继木星伽利略卫星发现后发现的第一颗卫星。由于它是太阳系唯一一个拥有浓厚大气层的卫星,因此被视为一个时光机器,有助我们了解地球最初期的情况,揭开地球生物如何诞生之谜。

温度计的诞生

人类早就对大自然中的温度不同有所感受了:夏季的酷热,冬季的寒冷;火的烫手,冰的刺骨……不过,那时人们对温度高低的辨别并没有一个标准。

随着社会的进步与发展,人们越来越需要一把测量温度的“尺子”。我国人民在这方面也积累了许多有益的经验。据记载,战国时期,我国人民就知道将水存放在瓶内,通过观察水是否结冰来推测气温下降的程度;汉代初期,有了以冰测温的办法,即通过观察冰的状态,了解气温。不过,发明温度计的,是意大利科学家伽利略。

伽利略于1564年2月15日出生在意大利的比萨城。他从小就表现出强烈的求知欲望。大自然中的一草一木,天空中的星星、太阳,都能引起他极大的好奇。他在17岁那年,按照父亲的意愿,考上了比萨大学医科专业。

伽利略在学习医学的过程中,认识到人的生病与体温变化有很大的关系。也就是说,通过了解人的体温有助于确定其身体状态。可在当时,医生只能用手触摸病人,凭感觉来推测人体的大致温度。这种方法显然容易产生误差,并不精确。

伽利略想:能不能发明一种可以精确地测出病人体温的仪器呢?

于是,伽利略开始构思这种新仪器的使用原理。他想了许多办法,可一个个都被他自己否定了。

一天,他在沉思之中,看到一位小孩正在玩一种玩具。这种玩具据说是古希腊人发明的。它的结构很简单:在U形的玻璃管里装一半水,将弯管的一端用铅球密封,另一端用玻璃球密封,使管中的空气跑不出来。玩的时候,在铅球下加热,U形管中的水就会向回退缩;移开铅球下的火源,铅球冷却,水就会升到原来的位置。

伽利略看着看着,产生了一个新的想法:“为什么不根据热胀冷缩的现象来制作呢?”

于是,伽利略便对热胀冷缩现象进行进一步的研究,并在此基础上设计了许多方案。然而,科学发明不可能一蹴而就,他的方案又一次次的失败了。

寒来暑往,10余年的时间过去了。1593年,伽利略发明了第一支空气温度计。这种气体温度计是用一根细长的玻璃管制成的。它的一端制成空心圆球形;另一端开口,事先在管内装进一些带颜色的水,并将这一端倒插入盛有水的容器中。在玻璃管上等距离地标上刻度。这样,当外界温度升高时,玻璃球内气体膨胀,使玻璃管中水位降低;反之,温度较低时,玻璃球内气体收缩,玻璃管中的水位就上升。

酒精温度计空气温度计的发明,导致了体温计的问世。伽利略的一位朋友、帕多瓦大学医学教授桑克托留斯,一直在关注着伽利略研制温度计的进展。当他看到世界上第一支空气温度计后,按照自己的设想和诊病需要,对气体温度计进行了改进,在1600年制成了世界上第一支体温计。

第一支空气温度计虽能测定温度,但人们发现它的测定结果并不精确,因为气体温度计下端是与大气相通的,玻璃管中的水位高度不仅受到空心球中空气温度的影响,而且还受到大气压强的影响。也就是说,即使温度不变,玻璃管内的水的高度也会有所差异。

先进的数显电子温度计此时,伽利略手头的其他研究工作十分繁忙,他没有精力对空气温度计进行改进。他的学生斐迪南在老师的指导下,决定用液体代替空气温度计中的空气。

1654年,斐迪南经过对各种液体的试验之后,研制出了世界上第一支酒精温度计。它是往玻璃球里注入适量酒精,再加热玻璃球,用酒精蒸气赶跑玻璃管中的空气,然后迅速把玻璃管口封死。这样,它就可以避免大气压强的影响。

可是,经过一段时间的使用,人们发现,酒精温度计也存在不足之处,即当用它测开水的温度时,温度计内一片模糊。原来,水的沸点是100℃,酒精的沸点是78℃,因此将酒精温度计置于开水之中时,酒精早已变成气体了。显然,只有用高沸点的液体代替酒精,才能解决这一问题。1659年,法国天文学家布里奥,利用水银沸点较高的特性,制成水银温度计。这种温度计可测得357℃的高温,也可测得-39℃的低温。

随着科学技术的发展,人们对测温仪器的要求越来越高。到了19世纪末20世纪初,许多科学家运用各种物理原理,发明了多种形式的新型温度计,如电阻式温度计、辐射式高温计、光测高温计、氢温度计等。知识点体温计体温计是一种最高温度计,它可以记录这温度计所曾测定的最高温度。用后的体温计应“回表”,即拿着体温计的上部用力往下猛甩,可使已升入管内的水银,重新回到液泡里。其他温度计绝对不能甩动,这是体温计与其他液体温度计的一个主要区别。

显微镜的发明

美丽的大自然神秘莫测、千变万化,它不断地给人类展现一幅幅五彩缤纷的宏观画面。浩瀚的天穹,无际无边。白天,阳光普照;夜晚,星移斗转。而在我们生活的地球上,既可看到千姿百态的植物王国,又能一睹种类众多的动物世界。然而,大自然还富有一个用肉眼永远见不到的色彩斑斓的微观世界,在频频向人类招手微笑,而第一个走进这一世界的使者是诞生在300多年前的荷兰生物学家列文虎克。

这位出身于荷兰德尔夫特市一位普通工匠家庭的生物学家,只上过几年学。16岁时,父亲去世,迫使他离开了学校,在阿姆斯特丹一家杂货铺里当学徒。

白天,他忙碌在柜台、杂货和顾客之间;夜晚,当店铺关门以后,在昏暗的灯光下,列文虎克很快进入了另一个世界。他把从书摊租来或从别人那里借来的各种书籍拿出来,有历史、天文、数学、地理,还有动物学和植物学,一本一本地如饥似渴地阅读起来。书本向他展示了一个又一个神话和传说,一个又一个自然万物的更迭盛衰,他简直着迷了。夜很深了,人们都已进入了甜蜜的梦乡,只有隔壁那家眼镜店的工匠们磨制镜片的沙沙声,在陪伴着他挑灯夜读。

一天深夜,他看书看得两眼发花,头脑发胀,于是他从小屋里走了出来。当走到眼镜店的作坊前,他看见工匠们正在用熟练的双手,不知疲倦地磨着镜片。看着看着,他忽然想起曾听人家说过,上等明净的玻璃,可以研磨成小小的凸透镜,通过这种镜子看东西,能使小东西变大许多倍。于是他赶紧凑到一位年老的工匠身边,请求说:“老爷爷,求您教给我磨制镜片的手艺吧!我不会占用您太多时间的。”

显微镜从此,一有闲空,列文虎克就来到这家眼镜店学习,很快便掌握了磨制镜片的技术。