方舟子的Blog

    有一个流传甚广的故事说：美国科学家们想研制一种在太空失重
情况下使用的太空笔，可是研究了好长时间都没有成功，只好向全国
发出了征集启事，收到了一位小学生寄来的包裹，写着一行字：“能
否试试这个？”打开一看，是一大把铅笔。

    这个故事想告诉人们有时看上去很复杂的问题其实有极其简单的
现成解决办法。这当然是很有教育意义的，可惜它完全是捏造出来的。

    早期的宇航员都使用铅笔，并不是因为接受了小学生的建议，而
是因为钢笔、圆珠笔在失重条件下都无法使用，铅笔是唯一的选择。
但是铅笔笔芯有时候会断，在失重的环境中漂浮，会漂进鼻子、眼睛
中，或漂进电器中引起短路，成了危险品。而且，铅笔的笔芯和木头
在纯氧的环境中会快速燃烧。

    因发明了圆珠笔通用笔芯而发了大财的保罗·费舍尔意识到宇航
员应该使用更安全可靠的书写工具，自掏腰包研制，在花了两年时间
和2百万费用之后，于1965年研制成了能在太空环境下使用的圆珠笔——
太空笔。其原理其实很简单，采用密封式气压笔芯，上部充有氮气，
靠气体压力把油墨推向笔尖。经过严格的测试后，太空笔被美国宇航
局采用。1967年12月，费舍尔以每支2.95美元的价格把400支太空笔卖
给美国宇航局。

    1969年7月20日，太空笔跟随阿姆斯特朗和奥尔德林上了月球，并
救了他们的命。阿姆斯特朗和奥尔德林在完成历史性月球漫步回到登
月舱准备离开时，发现发动机的塑料手动开关被宇航服的背囊碰断了，
无法启动发动机，向地面指挥中心求援。他们需要拨动开关中一个细
小的金属条，但是为了减轻重量，他们已抛弃了所有的工具。地面指
挥中心的一名工程师灵机一动，建议他们用太空笔试试。奥尔德林掏
出太空笔，缩回笔芯，用笔的中空尾端拨动了开关，成功地启动了登
月舱的发动机。

    太空笔是全天候的圆珠笔，除了在太空环境，还可在其他各种极
端恶劣（例如寒冷的高山上、深海底）的条件下，在油污、潮湿、粗
糙、光滑的表面上，用各种角度书写，使用寿命长达几十年，深受登
山运动员、户外活动者、 技工、士兵、警察的欢迎。目前在美国市场
上8美元即可买到一只最简单的费舍尔太空笔。

    奇怪的是，这个富有传奇色彩的太空笔却成了谣言的对象，备受
嘲笑，成了愚蠢的象征。有的说美国人花巨资开发太空笔完全没有必
要，不如像俄国宇航员那样简单地使用铅笔（实际上，俄国宇航员后
来也改用费舍尔太空笔）。还有的干脆说太空笔从来就没有研制出来
过。直到最近，还有人在学术会议上不仅继续传播这个谣言，而且还
添油加醋，将开发费用夸大了5000倍：

    “‘为了研究在太空环境下圆珠笔能出水，竟使科学家花费了100
亿美元，终了却毫无结果。最后得知，铅笔在太空环境下就能写出字。’
11月3日，在中国农业大学召开的‘2004年全国农林研究生教育发展论
坛’上，一位专家将这则黑色幽默娓娓道来，各大学领导和专家对
‘研究要切合实际，尤其是以前沿研究为主的研究生教育更是如此’
的观点表示认同。”（《中国农大研究生教育创新性“学科群落”质高
多产》，《中国教育报》2004年11月7日第1版）

    费舍尔太空笔中国市场上也买得到（叫“飞梭太空笔”），许多
百货大楼、礼品店均有销售，与会专家竟然没有一个人见过、听说过？
“研究要切合实际”，说得一点也不错，首先就要从自己做起。

2005.1.23.

（中国青年报2005.2.23）

(XYS20050225)

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    仰望晴朗的夜空，星星不过是一个个亮点，是如此的遥远、神秘。
即使在天文望远镜发明之后，人们也无法用它一窥恒星的真面目。这使得
实证主义哲学的创建者、法国哲学家孔德在1835年为了说明人类的认识有
其局限时，举恒星为例，声称人类只能对恒星做一些简单的视觉观察，永
远无法知道恒星的化学组成及其温度。

    在孔德如此自信地下断言时，他并不知道早在20多年前，一个名叫弗
朗荷费（1787-1826）的德国人已经找到了研究星星的一种新方法。弗朗
荷费11岁成为孤儿，没有上过学，靠自学成为光学仪器专家。1812-1814
年间，弗朗荷费在为天文望远镜制造消色差物镜时，需要精确地测定透镜
的折射率。早在1666年，牛顿发现阳光经三棱镜折射后，被分解成了7种
颜色的光，它们似乎形成了一个连续不间断的光谱。1802年，英国化学家
沃拉斯顿注意到光谱并非连续的，其中有7条黑线，他天真地将它们当做
是颜色的自然边界。1814年，弗朗荷费用更精密的方法进行观察，发现太
阳光谱中的黑线多达500多条，他对其中324条的波长进行了测量，并对最
明显的8条用字母标记。

    一种明显的可能性是，这些黑线是棱镜产生的假像。为了否证这一点，
弗朗荷费用260条密集的金属丝制造了第一个衍射光栅，阳光穿过它之后，
也形成了光谱，而且同样出现了那些黑线。接下来，弗朗荷费做了一件从
来没有人想过要做的事：他把望远镜对准某颗恒星，再让星光穿过棱镜，
形成了恒星光谱，上面也有黑线，但是位置与太阳光谱并不完全相同。

    弗朗荷费也注意到，用酒精灯烧食盐，产生的火焰光谱中，有一条黄
色的光带，位置恰好与太阳光谱的D黑线重叠。但是他没有进一步研究这个
问题。1826年，弗朗荷费患肺结核病逝，年仅39岁。他至死都不知道这些
黑线是怎么产生的。1859年，德国物理学家基尔霍夫发现，如果燃烧某种
元素，发出的光经过棱镜后，会形成位置固定的光谱线。例如，燃烧钠，
会出现两条黄色的光谱线，它们的位置恰好与太阳光谱中的两条黑线相同。
为了验证它们的确相同，他让阳光先通过钠蒸汽，再通过棱镜，料想会见
到钠发出的光谱线刚好填补了太阳光谱的两条黑线。没想到，那两条黑线
反而变得更黑、更明显了。

    这是怎么回事呢？基尔霍夫又做了几个实验才找到了答案。一种元素
被加热、发光，我们看到了它的发射光谱。但是在它处于冷却状态时，它
将吸收与它的发射光谱的波长一模一样的光。因此，太阳发出的光穿过比
较冷的钠汽，钠汽就会吸收那些它自己在炽热状态下发射的光线，而形成
黑线。也就是说，太阳光谱中那两条与钠光带相对应的黑线，是钠吸收线，
表明在太阳外大气层中，存在钠元素在吸收太阳内部发出的光。这样，通
过分析太阳光谱和恒星光谱，与化学元素的光谱对比，就可以知道太阳、
恒星上面都有什么化学元素。1868年，通过分析太阳光谱，法国天文学家
詹森发现太阳含有一种未知的元素，被称为“氦”（Helium，意思是“太
阳”），到1895年这种元素才在地球上发现。通过分析光谱，我们还可以
知道恒星的温度、压力、运动速度、旋转速度，甚至它的年龄和距离。星
空不再遥远而神秘。弗朗荷费的墓志铭准确地预见了这个结果：“他接近
了星星。”

    孔德死于1857年。如果他晚死几年，见到星星的奥秘正在被揭开，将
会做何感想呢？哲学家往往是非常自信的“智者”，但是很遗憾，他们对
科学研究所划定的界限，几乎没有不被以后的科学进展证明了是错误的。

2005.1.22.

（中国青年报2005.2.16）

(XYS20050218)

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    “惠更斯”号探测器在太空飞行了7年多之后，近日成功登陆土星最大
的卫星土卫六，引起全球注目。这颗卫星是荷兰科学家惠更斯于1655年发现
的，所以这个探测器以他的名字命名。惠更斯是科学史上罕见的天才，除了
发现土卫六，还发现土星光环、离心力定理、动量守恒定律，创建了概率论，
发明了摆钟，首次提出其他星系上也有行星和生命，并为此写了一本书！

    惠更斯最著名的科学贡献，是为光的波动学说奠定了理论基础。光是什
么？古希腊自然哲学家就已经在思考这个问题了。最直观的答案是：光是由
极细小的微粒组成的。这可以很容易地解释一些光学现象：光微粒的运动速
度极快，所以光做直线传播；光线反射是由于光微粒碰撞反射面引起的；光
从一种媒介进入另一种媒介（例如从空气进入水）时会发生折射，是因为光
微粒在不同媒介的运动速度不同。与惠更斯同时代的牛顿就是光的微粒学说
的集大成者，认为光微粒遵循他发现的三大运动定律。牛顿发现阳光是
由不同颜色的光混合而成的，他认为不同质量的光微粒产生了不同颜色的光，
这些光微粒混合在一起，就变成了白光。

    但是此前，意大利数学家格里马第已经注意到，让一束光穿过两个小孔，
其投影的边缘出现明暗条纹。他联想到水波的衍射，提出光可能是一种波，
不同颜色的光是由于光波的频率不同引起的。但是怎么用波动来解释光的反
射和折射呢？惠更斯提出了一个后来被称为“惠更斯原理”的学说阐明波面
在媒体中的传播性质，在此基础上用作图法巧妙地解决了这些问题。

    牛顿的死对头胡克也支持波动学说。牛顿刚提出微粒学说时，备受胡克
的讥讽，声称牛顿学说正确的部分是剽窃他的，其他部分则荒诞不经。牛顿
一气之下不再发表光学著作，等到胡克死后，才出版《光学》一书，全面论
述微粒学说，构建了一个相当精致的体系。这时候惠更斯也已经死了，没有
人能和牛顿唱对台戏。由于牛顿的权威，微粒学说被普遍接受，毕竟，这个
巨人在那么多科学问题上都对了，这一个想必也不会错吧？

    牛顿死后70多年，才有人试图复兴惠更斯的波动学说。英国物理学家托
马斯·杨、法国物理学家菲涅耳用干涉实验证明了光是一种波。不过，对牛
顿微粒学说的致命一击发生于1850年。牛顿和惠更斯的学说都能解释光的折
射现象，但是有一个重大差别：牛顿学说认为光从空气进入水发生折射，是
因为光微粒在水中的运动速度比较快；而惠更斯学说恰恰相反，认为是由于
光波在水中传播速度比较慢导致的。当时人们还没有办法精确地测量光速，
不能验证谁对谁错。1850年，条件成熟了。法国物理学家傅科用实验证明了
水让光速变慢，牛顿的学说被推翻了。

    此后，麦克斯韦建立电磁学，认为光就是一定频率范围内的电磁波，赫
兹用实验证实了这个预见。波动学说取得了全面的胜利。但是赫兹同时也证
实了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子，这是波动学说没法解释
的。为了解决这个问题，爱因斯坦提出光的发射和吸收都采取量子的形式，
光波是由光子组成的，光具有波和粒子二重性质。

    这给人的印象似乎牛顿也没有错。经常有人在争论问题时引用这个所谓
“波粒二像性”来说明真理不止一个，大家争来争去可能只是看到了问题的
不同一面，最终会统一起来，证明大家都对。这个观点是错误的。爱因斯坦
的光子和牛顿的微粒除了都是粒子之外，并无任何相同之处。光子不是牛顿
所描绘的那种遵循经典力学运动定律的微粒。牛顿对光的反射、折射、衍射、
颜色等等光学现象的解释都是错误的，波动学说才是正确的。在光的问题上，
真理仍然只有一个。

2005.1.21.

（中国青年报2005.2.2）

(XYS20050205)

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