在一定的溫度下,氘的聚變所產生的能量比氫的聚變多,而氚的聚變所產生的能量還要更多。
當只有氫發生聚變時,在一定溫度下產生的能量太少了,因此,要在實驗室中讓這種反應持續進行下去,就要求溫度超過攝氏十億度。不錯,在太陽的中心是氫在發生聚變,而那裏的溫度只有15,000,000℃,但是,在這樣低的溫度下,只有很小一部分氫參加聚變。但由於太陽上氫的數量極大,所以,盡管發生聚變的氫只占很小一部分,也已足以使太陽維持現有的輻射了。
當只由氚發生聚變時,為引燃這種反應所需要的溫度是最低的,那只需要達到幾百萬度。遺憾的是,氚是不穩定的,它在自然界中根本就不存在。在需要用到它時,必須在實驗室裏把它制造出來,因此,僅僅用氚是不可能使聚變反應以地球上所需要的數量持續進行下去的。
氘發生聚變的引燃溫度是400,000,000℃。氘是穩定的,但數量很少。在6,700個氫原子當中,只有一個原子是氘。不過,這就已經不算太少了。一升普通水中的氘發生聚變時,已足以產生出燃燒300升汽油所產生的能量了。
達到必要溫度的一個辦法,是添進適當數量的氚,使它作為誘因去起作用。氘同氚的聚變只要在45,000,000℃就可以引燃了。如果這種反應稍稍進行一會兒,其餘的混合物就會被加熱到足夠高的溫度,因而可以引燃氘本身的聚變反應。
這個溫度所需保持的時間長度取決於氫的密度。每立方厘米中的原子越多,碰撞的次數也越多,引燃就發生得越快。如果每立方厘米有1015個原子(約為普通大氣每立方厘米所含分子數的萬分之一),那麼,就必須把這個溫度保持2秒鐘。
當然,密度和溫度越高,就越難使氘聚集在一起,盡管引燃聚變反應所需要的時間非常短暫。正因為這樣,這些年來聚變系統一直在取得緩慢的改進,但卻仍然沒有達到引燃的條件。
第67節
要回答這個問題,我們先得問一問:我們是怎樣判斷某個物體有多大的?
從某一物體的兩側射到我們眼中的光線,會對我們的眼睛形成一個角度。根據這個角度的大小,我們就能夠判斷出那個物體的視大小。
但是,如果這些光線在到達我們的眼睛之前,先通過一個凸透鏡,那麼,這些光線就會受到某種方式的偏折,從而使它們在我們眼中形成的角度變得大一些。這樣一來,我們通過這種透鏡所看到的物體似乎變大了,並且它的每一個部分也似乎變大了。這樣,我們就有了「放大鏡」。
用幾個透鏡組合起來,就有可能把物體放大幾千倍,並且清楚地看到一些小到遠非肉眼所能看到的細部。這時,我們所碰到的是一台利用光波來工作的光學顯微鏡,過這種顯微鏡,我們可以看見像細菌那樣小的物體。
我們能夠把透鏡一個個疊在一起,最後做成一台能把物體放大得非常大,使我們能夠看到比細菌小得多的物體,甚至連原子也看得見的顯微鏡嗎?
很遺憾,這是做不到的。即使我們把一些最完美的透鏡用最完善的方法組合起來,也無法制成這樣的顯微鏡。光是由一定波長的電磁波構成的(波長約1/125,000厘米),比它再小的東西就什麼也看不清楚了。光波已經大到足以「跳過」一切比它自身小的東西了。
不錯,有幾種電磁波的波長要比可見光短得多。X射線的波長就只有可見光波長的萬分之一。可惜,X射線會徑直穿過我們所想看到的那些東西。
但是,不是還有電子嗎?電子是一種粒子,但它們的行為也像波一樣。它們的波長大致和X射線差不多,但電子不會徑直穿過我們所想看到的那些東西。
假定有一束光投射在某一物體上。這個物體會吸收光,並且投下一個陰影。我們通過比較亮光和陰影,就看到那個物體。如果把一束電子投射到某一物體上,這個物體也將吸收電子,並投下一個「電子陰影」。在使用電子束的情況下,要是我們想用眼睛直接去看它,那是很危險的。但是,我們可以用照相底片把物體拍攝下來。電子陰影可以告訴我們那個物體具有什麼形狀,要是物體的某些部分對電子的吸收比其他部分強一些或弱一些,那麼,這種照片甚至還可以說明物體的一些細節。
但是,要是那個物體非常小,那會怎麼樣呢?如果我們用的是光束,我們可以利用透鏡使光束以某種方式偏折,從而把物體的外觀放大。我們不能用普通透鏡使電子束偏折,不過,我們還有別的東西可以利用。電子是帶有電荷的,這就是說,它們在磁場中將沿著彎曲的路徑行進。如果我們所采用的磁場具有適當的強度和形狀,就可以用透鏡操縱光束那種辦法去操縱電子了。
簡單地說,這時我們就有了一台「電子顯微鏡」,它利用的是電子束,正像「光學顯微鏡」所利用的是光束那樣。
不同的地方在於,電子的波長要比普通光的波長短得多,因此,電子顯微鏡能夠為我們顯示出像病毒那樣細微的物體,而光學顯微鏡卻做不到這一點。
第68節
只有當你所使用的那個特定系統中的能量密度參差不齊的時候,能量才能夠轉化為功,這時,能量傾向於從密度較高的地方流向密度較低的地方,直到一切都達到均勻為止。正是依靠能量的這種流動,你才能從能量得到功。
江河發源地的水位比較高,那裏的水的勢能也比河口的水的勢能來得大。由於這個原因,水就沿著江河向下流入海洋。要不是下雨的話,大陸上所有的水就會全部流入海洋,而海平面將稍稍升高。總勢能這時保持不變。但分布得比較均勻。
正是在水往下流的時候,可以使水輪轉動起來,因而水就能夠做功。處在同一個水平面上的水是無法做功的,即使這些水是處在很高的高原上,因而具有異常高的勢能,也同樣做不了功。在這裏起決定性作用的是能量密度的差異和朝著均勻化方向的流動。
不管對哪一種能量來說,情況都是如此。在蒸汽機中,有一個熱庫把水變成蒸汽,還有一個冷庫把蒸汽冷凝成水。起決定性作用的正是這個溫度差。在任何單一的、毫無差別的溫度下——不管這個溫度有多高——是不可能得到任何功的。
「熵」是德國物理學家克勞修斯在1850年創造的一個術語,他用它來表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度。能量分布得越均勻,熵就越大。如果對於我們所考慮的那個系統來說,能量完全均勻地分布,那麼,這個系統的熵就達到最大值。
在克勞修斯看來,在一個系統中,如果聽任它自然發展,那麼,能量差總是傾向於消除的。讓一個熱物體同一個冷物體相接觸,熱就會以下面所說的方式流動:熱物體將冷卻,冷物體將變熱,直到兩個物體達到相同的溫度為止。如果把兩個水庫連接起來,並且其中一個水庫的水平面高於另一個水庫,那麼,萬有引力就會使一個水庫的水面降低,而使另一個水面升高,直到兩個水庫的水面均等,而勢能也取平為止。
因此,克勞修斯說,自然界中的一個普遍規律是:能量密度的差異傾向於變成均等。換句話說,「熵將隨著時間而增大」。
對於能量從密度較高的地方向密度較低的地方流動的研究,過去主要是對於熱這種能量形態進行的。因此,關於能量流動和功-能轉換的科學就被稱為「熱力學」,這是從希臘文「熱運動」一詞變來的。
人們早已斷定,能量既不能創造,也不能消滅。這是一條最基本的定律;所以人們把它稱為「熱力學第一定律」。
克勞修斯所提出的熵隨時間而增大的說法,看來差不多也是非常基本的一條普遍規律,所以它被稱為「熱力學第二定律」。
第69節
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