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世界科技全景百卷书: 仪器设备 天文地理仪器设备
地震仪的鼻祖 公元132年东汉都城洛阳发生了一件事，太史令张衡发明了一种仪器，它能知道什么时候、哪里发生了地震。只要那个方向发生了地震，仪器上那个方向的龙口就张开，龙口中的小铜珠就落入下方的蟾蜍口中而发出响声。这件事引起朝中大臣们的纷纷议论，有不相信的，也有表示怀疑的。但时间一久，人们对这件事也就淡忘了。过了几年，公元138年的一天，张衡发明的那架仪器朝西方向的龙口突然张开，小铜珠落人蟾蜍口中。这说明小钢珠落人蟾蜍口中的时候西方发生了地震，但当时洛阳并没有人感觉到有什么震动。于是满朝文武又是议论纷纷，说张衡的那架仪器不可靠。但过不多久，现在甘肃境内的地方官府奏报来到，奏报称那里发生了一次强烈地震。这件事使当时的人们对张衡的那架仪器十分信服，史籍中也称其“验之以事，合契若神”。 张衡发明的那架仪器就是世界上第一架地震仪——候风地动仪。《后汉书·张衡传》记载说“地动仪以精铜制成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊。”其里部主要构件是中间一根高而细的铜柱，张衡称之为“都柱”。都柱在接受到地震产生的地震波后，就向波源方向倾倒。在都柱周围架设有8条通道，使倾倒的都柱只能往一道中滑倒，其所倒方向即是地震发生的方向。尊外相应地设置8条口含小钢珠的龙，分别朝着8个方向。每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上，准备接住落下的小铜珠。都柱受地震波的震动而倾倒时，敲动一个像弩机装置似的牙机，利用杠杆原理传动，使龙首张开口，小铜珠便落入蟾蜍口中发出声响，人们就知道什么时候什么方向发生了地震。 张衡发明的候风地动仪虽然只能测知地震震中发生的大概方位，但在文明发展史上却是一项了不起的发明。一直到19世纪，世界才出现真正用来观测地震的仪器。候风地动仪领先世界地震科技达1800年，因此被公认为地震仪的鼻祖。 著名的浑仪 浑仪是中国古代用于测量天体球面坐标的观测仪器。它是由一重重的同心圆环构成，整体看起来就像一个圆球。有资料表明，在公元前4世纪中叶，中国就已经使用浑仪观测天象了，比古希腊约早60年。 浑仪的最基本构件是四游仪和赤道环。四游仪由窥管和一个双重的圆环组成。窥管是一根中空的管子，类似于近代的天文望远镜，只是没有镜头。双重圆环叫四游环，也叫赤经环，环面上刻有周天度数，可以绕着极轴旋转，窥管夹在四游环上，可以在双环里滑动。转动四游环，并移动窥管的位置，就可以观测任何的天区。赤道环在四游环外，上亦刻有周天度数，固定在与天球赤道平行的平面上。这样，就可以通过窥管观测到待测量的天区或星座，并得出该天体与北极间的距离，称“去极度”，以及该天体与二十八宿距星的距离，称“入宿度”。去极度和入宿度是表示天体位置的最主要数据。 浑仪的改进和完善，经历了一个由简而繁，而又由繁而简的历程。从汉代到北宋，浑仪的环数不断增加。首先增加的是黄道环，用以观测太阳的位置。接着又增加了地平环和子午环，地平环固定在地平方向，子午环固定在天体的极轴方向。这样，浑仪便形成了二重结构。唐代起，浑仪又发展成三重结构。最外面的一层叫六合仪，由固定在一起的地平环、子午环和外赤道环组成，因东西、南北、上下6个方向叫六合，故名。第二重叫三辰仪，由黄道环、白道环和内赤道环组成，可以绕极轴旋转。其中白道环用以观测月亮的位置。最里层是四游仪。北宋时，又增加有二分环和二至环，即过二分 （春分、秋分）点和二至（夏至、冬至）点的赤经环。 多重环结构的浑仪虽是一杰出的创造，在天文学史上也起过重要的作用，但其自身也存在着两大缺陷。一是要把这么多的圆环组装得中心都相重合，十分困难，因而易产生中心差，造成观测的偏差。一是每个环都会遮蔽一定的天区，环数越多，遮蔽的天区也越大，这就妨碍观测，降低使用效率。为解决这两个缺陷，从北宋起即开始探索浑仪的简化途径。这个浑仪改革的途径由北宋的沈括开辟，元代的郭守敬完成。沈括由两个方面进行改革，一是取消白道环，借助数学方法来推算月亮的位置；一是改变一些环的位置，使遮蔽的天区尽量减少。而郭守敬又取消了黄道环，并把原有的浑仪分为两个独立的仪器，即简仪和立运仪。 简仪由四游仪、赤道环和百刻环组成。赤道环的位置移至旋转轴的南端，这一方式，至今在各国的天文台上安装望远镜时，还广泛地被采用。百刻环的安装是一创新，环上等分成100刻，分为12个时辰，每刻又分作36分。它固定在赤道环内，既可承托赤道环，又可得到真太阳时的读数。四游仪窥管两端各设有十字线，这是后世望远镜中十字丝的肇始。 立运仪与简仪装于同一底座上，由两个圆环组成。一个是平铺的“经纬环”，代表地平环，环面上刻有方位。一个是“立运双环”，中夹有窥管，可测量天体的地平经度和纬度。 简仪和立运仪的设计和制造，在世界上领先300多年。近代天文台的赤道装置，测量仪器经纬仪等，都可从中找到其原始形态。 还应该指出的是，中国占代浑仪采用的是赤道坐标系统，比西方采用的黄道坐标系统要先进得多，今天已为各国天文台所广泛采用。 现在，人们还可以在南京紫金山天文台，看到明代正统二年到七年 （1437～1442）间制造的浑仪和简仪。 张衡制造浑象 浑象是一种表现天体运动的演示仪器。它最初是在公元前2世纪中叶的西汉时，由天文学家耿寿昌创制的，而东汉著名科学家张衡在浑象的发展史上做出了重要的贡献。 浑象的基本构成是一个可以旋转的中空圆球，上面按观测到的实际天象布列星辰。转动圆球，即可演示天体的运动，其作用相当于近代的天球仪，堪称天球仪的始祖。 张衡制造了第一台自动的天文仪器——水运浑象。它以一直径5尺 （约1.18米，东汉1尺约23.5厘米）的空心铜球表示天球，上面画有二十八宿，中外星官，互成24度交角的黄道和赤道等，黄道上又标明有二十四节气。紧附于天球外的有地平环和子午环等。天体半露于地平环之上，半隐于地平环之下。天轴则支架在子午环上，天球可绕天轴转动。同时，又以漏壶流出的水作动力，通过齿轮系的传动和控制，使浑象每日均匀地绕天轴旋转一周，从而达到自动地、近似正确地演示天象的目的。此外，水运浑象还带动有一个日历，能随着月亮的盈亏演示一个月中日期的推移，相当于一个机械日历。 张衡的水运浑象对后世浑象的制造影响很大，宋代的水运仪象台则达到历史上浑象发展的最高峰。历代制造的浑象大都已经毁亡，现存仅有两架，一架在南京紫金山天文台，一架在北京建国门古观象台，均是清代铸造的。除了天球仪式的浑象外，中国古代还创制有假天仪式的浑象，开了近代天象仪之先河。 现在北京天文馆里，有一个大圆顶的天象厅。当你坐在里面仰观屋顶，便会感到宛如置身于无涯的苍穹之中，看到繁星点点，其布列与实际天象一致。假天仪的功能和作用即与此相似。假天仪何时发明，现尚有争议，有人认为三国时即已问世。但有明确记载的，则以北宋时苏颂主持制造的浑天象为最早。 浑天象是苏颂主持创制水运仪象台后的又一杰作。它的天球直径有一人多高，在球面上相应于星辰的位置处凿有一个个镂空的小孔，外面的光线漏进后，人坐在球内就好像看到天上闪闪发光的星星。天球亦是由水力机械带动的，可控制其旋转与天体运行同步。与现代天象仪所不同的是，浑天象的光源在外，表演内容比较单一，而天象仪的光源在内，且能表演众多复杂的天象。 世界第一座天文钟 1092年，在北宋都城开封的西南部，出现了一座形状奇特的木构建筑物。它就是“元 浑天仪象”，一般通称之为“水运仪象台”，由当时著名政治家、科学家苏颂所主持创制。这是中国古代最宏伟、最复杂的一座天文仪器，在古代世界上也是绝无仅有的。 水运仪象台的形状呈正方形，上狭下广，高三十五尺六寸五分（约近11．3米，宋代一尺约31．6厘米），底宽二丈一尺 （约6．64米）。台分3重，第一、二重安装水力驱动系统和报时系统，第三重安装浑象。台顶平台上安装浑仪，浑仪由“板屋”覆盖，板屋上装有9块可以启闭的活动屋面板。由此可以看到，整座水运仪象台集观测、演示、计时等功能于一体，实际上成了一座小型的天文台。 水力驱动系统包括有提水机构、注水机构、回水机构和枢轮等部分，可以使水周而复始均匀流动，并驱动枢轮运转。枢轮直径十一尺（约3.48米），是全台机械装置的原动轮。其顶部附设有一组杠杆装置，起着控制枢轮定时转动，以及转动固定的距离的作用，相当于近现代机械钟表中的“擒纵器”。它和欧洲17世纪的锚状擒纵器非常相似，堪称擒纵器之始祖。 报时系统的前部建造成半座5层木楼阁式建筑的形状。第一层是昼夜钟鼓轮，轮上有3个不等高的小木柱，可按时拨动3个木人的拨子，拉动木人手臂，一刻钟木人击鼓一次，时初摇铃，时正敲钟。第二层是昼夜时初正轮，轮边有24个司辰本人，随着转子的转动，木人按时在木阁门前出现，表示1日12个时辰的时初、时正，相当于现今的24小时。第三层是报刻司辰轮，轮边有96个木人，每一刻出现一人。第四层是夜漏金钲轮，可以拉动木人击钲报更，并可以按季节调整，以适应昼夜长短的变化。第五层是夜漏司辰轮，轮边设有38个木人，木人位置可以按节气调整，从日落到日出按更筹排列，依次出现。 浑象为一球体，直径四尺五寸六分（约1.44米）。球面上绘有283个星座，1464颗星辰，并绘有银河，黄赤道和二分、二至的位置。浑象下有木柜，使之一半露于柜外，一半隐于柜中。浑象经传动机构与驱动系统相连，可随机轴由东向西转动，和天体的视运动一致，使球面上星辰的位置和实际天象相合。 浑仪亦经由传动机构与驱动系统相连，可随天球转动，以观测天象。这是现代天文台跟踪仪器——转仪钟的先驱。其覆盖的活动屋板，则开了现代天文台自由启闭式屋顶的先河。 整个水运仪象台结构精密、巧妙，标志着中国当时的天文仪器和机械制造的高超水平。现国内外学者已公认它是世界第一座天文钟，并认为是现代天文钟的直接祖先。 最早的指南针 李约瑟论证了磁罗盘是从中国传到欧洲去的论点。在欧洲的文字记载中，首次提到磁罗盘是在公元1190年。当时亚历山大·尼卡姆在《来自大自然》一书中写道：“海上航行的水手们在晴天可以靠阳光导航，但是遇上阴天或在漆黑的夜晚，就无法辨别此时船正驶向罗盘的哪个方位。于是，他们就用一根针触一下磁铁，然后旋转此针，当针停止旋转后，针就指向北方。” 磁罗盘似乎不是经阿拉伯地区传人欧洲的。因为直到大约公元1232年，阿拉伯的文字中才出现关于磁罗盘的记载。记载描述了当时的水手用经磁石磨擦过的鱼形铁片来辨别方向的情景。而这鱼形铁片是非常典型的中国式样。由此看来，欧洲人和阿拉伯人通过在航海时与中国人的接触，大约是在相同的时间内获得了航海磁罗盘。只不过欧洲人也许要比阿拉伯人早几十年拥有磁罗盘。 我们可以从当时的书籍中发现能证实上述观点正确性的依据。中国中世纪的科学家沈括在其著名的著作《梦溪笔谈》（约刊印于公元1086年）中清楚地写道：“术士用磁石磨一根针的针尖，针尖就能指向南方……在指甲上或碗口上也同样可以指向，且其转动的速度很快。但这些支承物坚硬而平滑，针容易坠落。最好用一根新蚕丝以芥子大小的蜡拴在针的中心位置，吊在一个无风之处，它就会指向南方。其中有些针磨了以后可以指北。我家有指南的也有指北的针。” 这段文字记载的年代要先于欧洲首次提到磁罗盘的年代整整一个世纪。李约瑟评论说：“沈括提到的指南、指北两种针当然是在天然磁石的两极进行了磁化的……沈括描述的实验条件说明了当时人们做了大量仔细的研究。悬挂时仅用一根丝线可以避免因丝线相互缠绕所产生的影响；采用丝线意味着线仅由一条纤维组成，而不像麻线 （几乎可以肯定地说，在沈括所处的时代，棉还不为中国所知），麻线是由多根短纤维在拉力作用下纺成的；采用新的丝线则说明，线上的弹性应处处保持一致。” 朱 于公元1117年写的《萍洲可谈》一书中，也有关于中国人使用航海磁罗盘的明确记载。该书同样是在欧洲首先提到磁罗盘之前写就的。朱的父亲曾是广州港口的高级官员，后又做了广州的知州。在这部名称有些古怪的书中，朱 写道：“根据官对海船的规定，大船可载数百人，小船可载百余人……舵手熟悉海岸构造；夜间根据星辰的位置掌舵行船，白天则根据太阳的位置辨向驾驶。在阴天及无星月的夜里则看指南针辨向。他们还可以用一根端部带钩的30米长的绳子放下去，取海底的泥嗅一嗅，就知道他们到达了什么地方。” 文学家孟元老在他的《东京梦华录》（约公元1126年）中写道：“在黑夜或雨大，或多云之夜，水手靠罗盘行船。由大副负责此事。” 在《宣和奉使高丽图经》（公元1124年）中，作者徐兢写道：“夜里常常不能停船，因为风和海能使其漂移，所以舵手只有靠星星和大熊星座来辨向驾驶。如果夜间多云则使用指南浮针来测定南北。” 以上两段文字记载也都早于欧洲关于罗盘的文字记载。 很明显，用一条天然磁石来指示方向是磁罗盘最初和最简单的形式，它比使用磁针这一先进方法要早很长的时间。究竟是在什么时期中国就开始使用天然磁石罗盘 （注：即司南）？如果罗盘在开始之时不是用于导航，又是用于什么目的呢？ 我们有把握将中国使用天然磁石罗盘的年代追溯到公元前4世纪。当时一部名为《鬼谷子》的书（书作者不详，但有人认为可能是思想家苏秦）对此有过记载。书中有一段文字写道：“故郑人之取玉也，必载司南，为其不惑也。”另一条记载出自思想家韩非子公元前3世纪写的《韩非子》一书，从中我们可以读到： “臣民侵犯国君及其君权，就像漂移的沙丘和堆积起来的土坡逐渐形成一样。这就使君主忘却其位置，把东西方向搞反了而不自知。所以古代君王设立司南，以区分朝夕的方向。” 这是世界上各种文献中最早记载磁罗盘的两段文字 （在一些埃及的古籍中或许也有记载，但对其文字的解释有分歧，在此不予讨论）。在上面两段文字中，没有一段提过“司南”是新发明的新奇之物。与此相反，文中却提到了“司南”应归功于“先王”，即早至公元前3世纪。 指南车的传说 指南车是中国古代用于指示方向的一种轮车式机械，又称“司南车”。一般在皇帝出行时使用，作为皇权象征的仪仗车辆之一。 关于指南车的发明，在历史上有这样的传说： 距今4600多年前，在北方有两个部族，一个姓姜，其首领是神农氏炎帝；一个姓姬，其首领是黄帝。在这两个部族的附近，又有一个九黎部族，酋长叫蚩尤。九黎部族非常强悍，经常侵袭姜姓和姬姓部族。有一次，蚩尤又率领部众攻打姜姓部族。姜姓部族在神农氏的带领下奋起抵抗，可是在战斗中却遇到大雾，迷失了方向，结果大败。为了保护自己的部族，神农氏向黄帝求救，两个部族于是联合起来，共同抵御蚩尤的侵略。不料作战时又遇到大雾，黄帝的部众虽然英勇善战，也无法取胜。为此黄帝特意制造了一辆指南车，利用它来识别南北，使不致于在战斗中因雾迷失方向，终于打败九黎族，生擒了蚩尤。 历史上还有另外一个传说： 在3000多年前，周公协助周武王推翻了商朝暴君纣王的统治，建立了周朝。周武王死后，周公又代周成王治理国家政事，一时天下太平，尤邦来朝。远在今越南境内的越裳氏也派遣使者，携带礼物来向周王朝致贺。为了答谢他们的盛意，周公造了一辆指南车，赠送他们，好让他们能够顺利回国，不致在路上迷失方向。 传说终归是传说，不能代替史实。从科技史的角度看，在黄帝和周公所处的时代还不可能发明和制造指南车。指南车究竟于何时和由何人发明，现在已成历史悬案。《三国志·魏书·马钧传》记载，马钧在魏明帝时（227—239年）任给事中，曾与人讨论指南车，他认为过去有过，但已失传。他奉魏明帝之令，重新制造出了指南车。 指南车的机械传动和自动控制原理十分巧妙，它是通过齿轮系的配合作用来完成的。简单来说，齿轮系由与指示方向的木人相联接的大齿轮（或主齿轮）及与车子左右车辕相联接的左右小齿轮系统组合而成。当车子向正南方向行驶时，大齿轮与左右小齿轮系统脱离，木人不受车轮转动的影响；当车子偏离正南方向，向左转弯时，车辕的前端即向左转动，而其后端则向右转动，这时，右侧的小齿轮系统即与大齿轮啮合，进而产生传动作用，使木人向右旋转，车子转动 （向左）的角度正好与木人向右转动的角度相等，二者作用相消，故木人仍指向正南方，反之，车子向右转弯，亦有相同效果。于是，当调定本人指向正南方向后，只要车子偏离正南，木人都能应时调整，从始至终直指正南方，为车队外出行进，指明正确的方向。 指南车是中国历史上一项杰出的机械发明。它的结构简单，构思灵巧。它的创制，表明至迟在三国时已对齿轮系统的传动原理有了较深刻的认识。 望远镜的发明者 望远镜，顾名思义就是一种能够望得见远处东西的仪器。如果你用来观赏足球赛或歌舞表演，你将会有身临其境之感；如果你用来看星星望月亮，天上的星星好像就在你眼前内烁，皎洁的月亮也仿佛伸手可及。望远镜的功劳就在于把你和远处物体的距离拉“近”了。 最早的望远镜竟被人们看作是一种玩具，你也许没有想到吧！ 事情还得从1608年说起。 当时，在荷兰的米德尔堡，有一个眼镜匠，名叫李普希，他整天忙忙碌碌地为顾客磨镜片、配眼镜，在他的店铺里，各式各样的透镜琳琅满目，让人目不暇接。 由于眼镜生意本小利微，李普希勉强维持5口之家的生活，无钱给3个可爱的男孩买玩具，因此，父亲的废镜片就成了小兄弟们的玩具了。 一天，3个孩子在阳台上玩耍，最小的孩子两手各拿一个镜片，在阳台的栅杆上前后比划看着远处的景物，突然，他发现教堂尖顶上的风向标变得又大又清楚，两个小哥哥也好奇地拿着两个废镜片往远处看，果然，远处房上的瓦片、小鸟……都好像是近在眼前，看得那么清晰。孩子们高兴地将他们的发现告诉了父亲。 李普希将信将疑地按照孩子们说的那样试验着，他将一块凸透镜和一块凹透镜组合起来，把凹透镜放在眼前，将凸透镜放在前面一点，当他把两块透镜对准窗外远处教堂尖顶上的风标时，李普希惊奇地发现，这只风标被大大地放大了，似乎就近在眼前，伸手可及。 这一发现，立刻传遍了米德尔堡，人们纷纷来到他的工作室要求一饱眼福，有人甚至愿出高价买下这个“玩具”，拿回家一人独享。 李普希意识到这是一桩赚钱的买卖，于是就向荷兰国会提出了申请专利的要求。1608年10月2日，国会审议了这件事，认为这种“玩具”应该有个正规的名称，并且要求发明者对它进行改进，使它能够同时用两只眼睛进行观看。李普希经过考虑，给它取了个名字，叫“窥探镜”。这一年的12月15日，他又交给国会一架经过改进的双筒窥探镜，国会给了他一大笔奖金。 尽管荷兰人想尽办法保守望远镜的秘密，但是，望远镜的消息还是不胫而走，很快传遍了欧洲。 1609年6月，居住在意大利威尼斯的物理学家伽利略听到这一消息后，立刻买来镜片，安装在一个铜筒的两端，经不断改进，制成了够观察天体的望远镜，它帮助伽利略打开了宇宙的大门。 1609年末到1610年初，伽利略利用望远镜这一工具，不断地对天体进行观察。他发现月球表面并不光滑，而是山峰高耸；他看到银河系是由无数星体组成；他找到木星的卫星；他还观察到太阳的黑子、金星的盈亏、土星的光环等等。 这一系列的发现，却触怒了教会，因为他们过去始终认为天上是完美无缺的，如今，不仅月亮上有斑点，连太阳也有缺陷，这如何了得？教会诬蔑伽利略是骗子，望远镜是“魔鬼”的发明，并于1616年和1633年两次将伽利略传到罗马，最后决定将他终身监禁，直到300年后的1980年罗马教庭才宣布取消对伽利略的审判。伽利略的望远镜与荷兰李普希发明的一样，都是由凹透镜和凸透镜组成的，我们称它们为“折射式望远镜”。这种望远镜有一个重要缺陷，就是所有的图像都带有彩色的边缘，这种情况有点像彩色电视机图像发生叠影时一样，科学家们称它为透镜的“色差”。如何才能克服这一缺陷呢？ 英国科学家牛顿解决了这个难题。他在研究光的折射的基础上，提出了自己的看法。他说： “望远镜的完善程度所以迄今受到限制的原因，主要不是由于缺乏那种其形状真正像光学专家们所规定的透镜 （所有的人迄今都是这样想的），而是因为光本身是一种折射率不同的光线的复杂混合物。所以即使有一个透镜，其形状如此精确，能把任何一种光线汇集到一点，但它却不能把那些以相同的入射方向射到同一种媒质而会受到不同折射的光线，也汇集到同一点上来。……这就使我去考虑反射现象，而在我看到它是有规则的，一旦光线的反射角都等于它们的入射角的时候，我理解到如以反射现象为媒介，而且只要能够找到一种反射材料，把它像玻璃那样磨得光洁，又能反射像玻璃所能透射的那样多的光、并且也能获得把它磨成抛物面形状的工艺，那末光学仪器可以做到任何可设想的完善程度。” 1668年牛顿把这种设想变成了现实，制成了第一架反射式望远镜模型，镜筒直径约为2.5厘米，全长约15厘米。 1671年制成了经过改造的第二架反射式望远镜。这架望远镜至今还保存在英国皇家学会的图书馆里。现在制造的反射式望远镜的构造，与牛顿的反射式望远镜基本相同。 在美国新泽西州霍尔姆德尔，有一个非常著名的贝尔电话实验室，那是电话发明者贝尔在19世纪末创建的。这个实验室可出了不少名人，其中有一个是20世纪30年代在这个实验室工作过的一位无线电工程师，名叫央斯基。 1931年，26岁的央斯基在贝尔电话实验室进行有关长距离无线电通讯方面的研究。在这种通讯中，经常可以听到一种“嘶嘶”的声音，使他很伤脑筋，他根本不知道这种声音来自何方。为了找到这种干扰的原因，央斯基特地设计制造了一副可以转动的奇怪天线，这副天线看上去像个稀稀落落的平面网架，下面是4个从旧福特汽车上拆下来的轮于，人们戏称它为“旋转木马”。这副天线的方向性很强，投人使用以后，接收到了大量主要来自雷暴的干扰信号。不过，其中有一种微弱的、有规律的干扰信号引起了央斯基的注意，这种信号每隔23小时56分钟出现一次最大值。“它来自何方呢？”央斯基开始了认真调查。 1933年4月，在一次国际性会议上，央斯基郑重地宣布：“……最初，我以为这种干扰信号来自太阳的无线电波，经过仔细观测，我发现它来自银河中心的方向。”于是，这份报告成了射电天文学的第一篇经典著作，央斯基也成了射电天文学的开创者。 1933年5月5日，美国《纽约时报》头版发表消息——“来自银河中心的新的无线电波”，全世界不少报纸对此作了广泛报导。然而，奇怪的是，这一发现并没有引起科学界的广泛注意，就连央斯基本人对这项发现究竟有多大意义也表示怀疑。因此，他在这方面没有再花更多的精力，以后，央斯基实际上已经放弃了刚刚露了点头的射电天文学，而将注意力转向了其他领域。 有意思的是，央斯基的发现却引起了一个业余无线电爱好者——青年工程师雷伯的注意。1937年，雷伯在美国芝加哥郊外自己家的后院里，安装了一架直径9．45米的抛物面反射器，这便是世界上最早的射电望远镜。1938年初，雷伯开始用它进行观测，并接收来自太阳和其他天体的射电波，从而证实了央斯基的发现。雷伯于1940年发表了自己的观测结果。 在第二次世界大战期间，人们发现雷达的干扰与太阳的射电活动有关，这才开始认识到天体射电的重要性。战后，射电望远镜极大地扩展了人类的视野，揭开了一个又一个宇宙的奥秘，20世纪60年代，天文学家发现的星际有机分子、类星体、脉冲星以及微波背景辐射，都是射电望远镜的伟大功勋呢！ 人类居住的地球被大气层紧紧包裹着，它阻碍着天文学家对天上星星的观测。不知你注意到没有，夏天的夜晚，当你抬头仰望星空时，会发现许多星星都在“眨眼睛”，其实，这就是大气捣的鬼。另外，大气中漂浮着的水蒸汽、烟雾和尘埃等，都会影响对星星的观测。 摆脱大气层，到空间去进行天文观测，这是天文学家梦寐以求的愿望。 这一天终于来到了！ 1990年4月25日，美国航天飞机“发现号”将一架称为“哈勃”的空间望远镜发射进入到太空轨道，使天文学家们的梦想成真。哈勃是20世纪最伟大的天文学家之一，哈勃空间望远镜成了人类制造的第一架空间光学望远镜。 其实，早在1923年，德国火箭先驱奥伯兹就首先描述了在地球大气层外进行天文观测的优越性；23年后，美国天文学家斯别兹第一次对空间望远镜进行了详细的设计研究，提出了远距离观测的概念；直到1973年，美国宇航局和欧洲空间局才同意合作设计“空间望远镜”项目，然而由于经费限制等原因，1990年才得以完成升空。 哈勃空间望远镜的外形是一个圆柱形，长13.3米，直径4.3米，总重量为12.5吨，即使放在地面，它也可算是一架大型望远镜了。它由光学望远镜组件、科学仪器舱以及保障系统三大部分组成。按照设计要求，哈勃空间望远镜可以看到地面望远镜7倍的深空，弱50倍的星星以及扩展350倍的宇宙空间。先进的航天技术可以使望远镜上90％的部件得到保养、修理和更换，这样，哈勃空间望远镜可以在太空中飞行15年，为天文学家寻找宇宙中出现的任何蛛丝马迹。由于它的灵敏度和分辨率比地面望远镜强10倍，因此，天文学家期望它能够为他们观测到地面上无法观测到的“奇景异色”。例如，宇宙中暗弱天体发出的可见光、紫外线；测量暗弱天体的化学成份、温度、运动特征；研究神秘莫测的类星体、彗星和遥远星系；考察爆发星系、气体云以及恒星发射的物质。不过，由于哈勃空间望远镜的主镜形状存在一些问题，使得它拍摄的照片质量不能尽如人意，美国宇航局已于1993年重新安装望远镜主镜，使它完全达到所设计的要求。 当然，在太空中遨游的望远镜也存在不足之处，例如天文学家很难对它进行校准，而且这巨大的望远镜在空间运行时也并不十分平稳。下一步天文学家的理想是什么呢？天文学家们希望把天文望远镜搬到月亮上去，在月亮上建立天文台呢！ 温度计的种类 在有文字记载的人类历史上，关于冷热一类的词很早就出现了。我国古代早在先秦文献上就有不少寒暑冷热的记载；到了战国时期，人们已经知道将水存放在瓶内，由水是否结冰来推知气温下降的程度；汉代初期，我国人民进一步发展了以冰测温的温度计雏形。《淮南子》这本书中有这样的说法： “睹瓶中之冰而知天下之寒暑。” 大家都知道“炉火纯青”这个成语吧！它的意思是比喻某人的品德修养、学问、技术或处事手段等达到精纯完美的境地。其实，“炉火纯青”还体现了我国古代的一种独特的光学测温术呢！据说，古时候的道家在炼丹时，必须到炉火纯青时才算炼成。 以后，这种技术又被广泛用于熔铸青铜合金的技术之中。战国初期有一本书，书名为 《考工记》，其中这样写道：“铸金之状……青、白之气竭，青气次之，然后可铸也。”根据现代科学原理，它是说，当温度升至1200℃时，杂质锌将全部挥发，所以白烟消竭。“炉火纯青”说明炉温已经够高，可以浇铸了。 您看，这是多么有趣啊！ 世界上很多物质都具有热胀冷缩的特性，水、空气、水银和酒精等等在加热的情况下体积都会膨胀，而在变冷的情况下则会缩小。因此，在日常生活中，我们发现夏天的电线往下垂、冬天的电线绷得直；铁路的路轨夏天变长冬天变短，中间空隙就有大有小；踩瘪的乒乓球放到热水中，凹下去的地方一下子就复原了……这些都是因为热胀冷缩的缘故。人类很早就知道了这种现象，公元前3世纪就有人做实验来演示空气的热胀冷缩，然而都没有想到利用它来测量温度。 据说，最早利用这一特性来反映冷热程度的是伽利略，他曾于1581年在意大利的比萨大学学习医学。在这过程中，他发现生病往往与体温的变化有关，可当时，人们除了凭人手触摸确定体温高低外，几乎没有什么可靠的办法。 “为什么不发明一种温度计呢？用这种温度计不就可以精确地测出病人的体温了吗？”伽利略的创造发明欲望又一次在心头涌起，“根据什么原理来制造呢？嗯，看来必须在和温度变化有关的热胀冷缩上下功夫！” 于是，伽利略一头钻进了“热胀冷缩”世界中去了。然而，发明创造并非一蹴而就之事，它必须具有灵敏的脑袋和灵巧的双手，必须经过认真仔细的思索和坚持不懈的努力，才能最后取得成功，温度计的发明同样如此。 一晃10多年过去了，在这期间，伽利略当然不仅仅考虑温度计一件事，他发现了摆动定律，可以使机械钟走得更准确；他在比萨斜塔上做了著名的落体实验；他还因故离开了比萨大学被聘为帕多瓦大学的教授。在帕多瓦大学，伽利略白天教书，晚上同学生们讨论学问，然后再回到自己家里休息。说是休息，其实他还要做实验、制仪器，天天如此。 就在这忙忙碌碌之时，1593年伽利略发明了第一支空气温度计。这种仪器结构非常简单，但以前从未有人想到过：它是一根玻璃管，一端开口，另一端有一小泡，然后将它注满水，并将开口的一端立于水盆内的水面之下，这样，小泡内出现了一个含有空气的空间。如果用手握紧小泡，就会使泡内空气受热膨胀，越热膨胀得越厉害，小泡中的空间也越大；相反，小泡内空气就变冷而收缩。如果在玻璃管边上装一个标尺，用来测定水的高度变化，也就可以确定空气温度的变化了。 第一枝空气温度计制成以后，伽利略满心欢喜，马上用它到处去测定温度。不久，他就感到不满意了，因为他发现这种温度计很不精确，既不能测低温，又不能测高温：温度太低玻璃管内的水会结冰，温度太高水又会汽化。同时，伽利略还发现，即使温度不变，玻璃管内的水的高度也会有所差异，这是由于它还要受到大气压强变化的影响。由于工作繁忙，伽利略没有精力和时间去进一步研究、改进他的空气温度计了。 首先对伽利略的温度计加以改进的是一位名叫雷伊的法国化学家。1632年元旦，雷伊给他朋友写了一封信，信中提出了一种液体温度计，他建议把伽利略的温度计反过来装，在泡里充水，管子里充空气，用水的膨胀来指示温度。他在信中这样写道： “使用的时候，将泡充满水直到颈部，把它放在阳光下或一个发烧病人的手中，热会使水膨胀而上升，上升多少则根据热的高低而定。” 但是，雷伊的液体温度计由于没有把玻璃管的上端封闭，水的蒸发就会带来较大的误差。 后来，在意大利托斯卡纳大公爵斐迪南二世的指导下，佛罗伦萨的院士们提出了将管子密封的设想，他们将玻璃泡装上酒精，然后熔化玻璃尖把它密封，并把刻度附在玻璃管上。这就是第一个与大气压强无关的温度计。 1657年，大公爵把这种温度计赠送给波兰皇后的使节，皇后的大臣又把温度计转送给巴黎的天文学家布里奥。两年以后，布里奥制造出了第一支用水银作为测温物质的温度计。这样，温度计可测的温度范围就更大了。 就在伽利略发明第一支空气温度计之时，他的一位朋友帕多瓦大学的医学教授桑克托留斯则在用一种特殊的验温器来指示人体温度的变化，这种独特的验温器可以说是世界上最早的体温计了。 桑克托留斯发明的这种体温计像一条蛇形，球状的上端可放在病人的口中，管子下端放在一个盛水的容器内；蛇形管的刻度用玻璃珠标示，玻璃珠之间的距离则是任意的。虽然这是一个粗糙的仪器，但桑克托留斯却利用它发现了人体在健康和患病时的体温变化。 在温度计发展过程中，我们不得不提到德国物理学家盖里克，他曾以马德堡半球实验而闻名于世，殊不知，他在1660年至1662年还创建了一个最不寻常的温度计呢！ 盖里克这架独特的仪器有近20英尺长，它由一个绘成蓝色，上面嵌着金星的钢球壳和1英寸宽的铜管连接而成，铜管弯成一个很窄很窄的U形，管内灌入了一些酒精。U形管较短一臂的顶端是开口的，酒精液面上漂浮着一个微小的倒扣着的铜箔杯，它与一根绳子连着，绳子绕过悬挂在球壳下的滑轮，绳子的另一端是一个带翅膀的小天使，用小天使来指示管子上的刻度。大钢球壳的一侧加了一道阀门，用空气泵排除空气用以调节酒精的高度。当铜球内的空气膨胀时，U形管开口一端的酒精就上升，小天使则下降；相反，当空气收缩时，小天使就上升。 盖里克制造的这个巨大的温度计安装在房子背阴的一面，它上面有7个标度，从“大热”开始一直到“大冷”。这个温度计在当时还真引人注目呢。 自从伽利略制成第一支空气温度计开始，人们始终碰到一个难题，那就是“温标”——温度计需要有一个共同的标准，才能被人们广泛接受呀！ 首先意识到这一问题的是英国著名物理学家玻义耳，他为缺少一个绝对的测温标准而感到深深的苦恼。 “有什么办法呢？”玻义耳一边思索着，一边实验着。经过一番钻研，玻义耳建议用茴香油放在酒精温度计的周围，让油凝固，记下当茴香油开始凝固时的酒精高度，然后再计算酒精的膨胀。 玻义耳有个助手，名叫胡克，他也跟着玻义耳一起思考着温标问题。有一天，胡克做完实验以后感到十分疲劳，于是，他走到实验室外的酒柜里，倒了半杯葡萄酒，独个儿自斟自饮开了。突然，胡克的眼睛盯在那洋红色的葡萄酒上不动了。 “咦，这倒是个好主意，为什么不用这样红色葡萄酒酒精代替无颜色的酒精呢？这样的话，不是更容易观测温度的变动化了吗？” 这个灵感，使胡克感到十分高兴，不久，一支清晰易辨的温度计便制成了，它里面灌着红色的酒精。胡克制造的温度计变化非常大，夏天可以膨胀到顶端，冬天可以降低到底部。在杆上刻度时，胡克先是把它放在正在凝固的蒸馏水中，把它停留的位置当作零，再根据液体的膨胀程度分度。 著名英国科学家牛顿也曾研究过温标这个难题呢！1701年，牛顿用笔名发表了一篇论文，报道了他在测温学方面的研究成果，牛顿做了一支温度计，取了两个固定点作为温标，一个是雪融化时的温度，另一个是人体的温度，然后，他将这两个固定点间分为12等份。尽管牛顿提出的这种温标并不十分令人满意，但是，他发现的固体冷却定律和他对溶解与沸腾温度稳定性的观察，对温度计的发展至关重要。 除此之外，还必须一提的是法国科学家阿蒙顿，他于1702年改进了伽利略温度计，他的温度计是由一个恒定体积的玻璃泡和一个U形管较短的一臂连接而成，U形管较长的一臂内的水银柱高度表示所测得的温度。阿蒙顿的温度计测出的温度与大气压强无关，因此，不同地方的温度计读数可作比较，但是由于他选择水的沸点作为一个固定点，这又与大气压强有关，结果还是不能取得较高的准确度。 时间进入了18世纪。 由于物理学、医学和气象学等各个方面日益发展的需要，对温度测量的要求越来越高。真所谓“时势造英雄”，在这样的形势下，有3位科学家脱颖而出，他们便是华伦海特、列奥默和摄尔萨斯。 华伦海特于1686年出生在德国的但泽，他的父亲是一个商人，父亲为了让他继承家业，特地送他到荷兰学习商业。但是，华伦海特却对科学产生了浓厚的兴趣。终于，他成了阿姆斯特丹一个有名的科学仪器制造家。 华伦海特最初是用酒精来制作温度计的，直到1714年，28岁的华伦海特才制造了现在仍以他的名字命名的那种水银温度计。在他的温度计上，他选了3个固定点：第一点取冰、纯水和氯化镁混合物的温度定为0度；第二点取无盐的冰水混合物的温度定为32度，称之为凝结的起点；第三点取温度计插入人体口中或置于腋下的温度定为96度。这便是“华氏温标”。 有趣的是，水的沸点虽然不是华氏温标的一个固定点，但是212这一点恰恰与之重合。以后，为了使固定点更精确，人们便改以冰水混合物的温度为3 2度，以在标准大气压下水的沸腾温度为212度。 列奥默是一位法国贵族博物学家，他在不知晓华伦海特工作的情况下，沿着不同的路线，探索着温度计的改良工作。 列奥默于1683年生于法国的拉罗歇尔，他是一位数学家、动物学家。1730年，列奥默引入了一种温标，他把水的冰点和沸点之间划分为80度，这是因为列奥默注意到，酒精和五分之一水的混合液在从水的冰点加热到沸点时，其体积从1000份膨胀到1080份。但是，由于他忽视了空气压强对液体沸点的影响，他的温度计的测量结果并不理想。列奥默发明的这种温标人们称之为“列氏温标”。 瑞典天文学家摄尔萨斯是18世纪前半叶以温标标准化著称的第三位科学家。1742年，摄尔萨斯在一篇向瑞典科学院宣读的论文中，建议人们采用一种新的温标，即“百分温标”，又称“摄氏温标”。他选择了两个固定点，一个是沸水的温度记作0，另一个是结冰的温度记作100，中间分为100个分度。因此，摄尔萨斯当时的情况和我们今天恰恰相反：沸腾的水不是100度，而是0度！这个“摄氏温标”使用起来比以前所有的温标都更令人满意，渐渐地成了科学研究中应用最广的温标。第二年，有人对“摄氏温标”的方向不太满意，于是，将它倒了过来，取水的沸点为100度，冰点为0度，这种习惯便一直延用至今。 对于气象观测者来说，最感兴趣的莫过于某一段时间，例如 24小时内温度计所测得的最高温度和最低温度了。今天的报纸、广播和电视上的天气预报，所报的温度也是最高和最低两项。但是，这两项温度如何测定呢？如果使用普通的温度计，岂不是需要一个人每时每刻去观测温度计才行吗？有没有办法制造出可以测出24小时内最高温度和最低温度的温度计呢？ 18世纪，许多人都在考虑这个问题，也在设法解决它，英国科学家卡文迪许便是其中之一，他是18世纪英国受人尊敬的一名科学家。18世纪50年代前后，卡文迪许发明了早期类型的最高温度计和最低温度计，它们是两个互相独立的仪器。 最高温度计的外表与普通温度计相差不大，关键在于它的上端：水银柱上部有一部分酒精柱，上端开口处还有一个小小的玻璃容器。当温度逐渐上升，达到最高时，水银柱顶着酒精柱达到最高处，多余的酒精便溢出到玻璃容器中。随着温度的下降，酒精柱上方出现了一段空间，这段空间便能表示它曾达到的最高温度。 最低温度计就像一根倒置的虹吸管，长肢封闭，短肢通过一个玻璃球与一个大圆筒连通。玻璃球和大圆筒原先都装有酒精，水银则从短肢顶端延伸到长肢向上的某一点来表示环境温度。当温度下降时，圆筒内的酒精收缩，水银从短肢跑进玻璃球内就跑不出来了。如果后来温度上升了，则短肢上部充入一段酒精柱，其长度同温度上升成正比。短肢上水银高度将表明这温度计比它这时的温度低了多少，如果从现在的高度减去这个差值，就可以知道它所达到的最低温度是多少了。 卡文迪许发明的这种仪器直到18世纪末才被人们废弃，代之以带有小的活动指标的温度计。这个指标由温度计液体表面的升降来加以操纵，至今我们还可以看到它们的应用，这便是由一个名叫西克斯的人所改进的组合式最高最低温度计。对自己的这一发明，西克斯曾自豪地说：“我通常在晚上去察看我的温度计，从左边的指标看看昨天夜里的冷，从右边的指标看看今天白天的热。我将这些记录下来，然后把一块小磁铁作用于管子被指标贴住的部分，使指标向下移动到水银表面。这样，无需加热、冷却、分离或扰动水银，也无需移动仪表，便可以使这仪表一动也不动就已经调整好了，准备作另一次记录。” 发明了能测最高、最低温度的温度计对我们真是太有用了，我们今天的天气预报不就是预报每天的最高、最低温度吗？ 到了19世纪末20世纪初，科学技术的发展要求更精确的温度计，同时，科学技术的发展也为更精确温度计的诞生创造了条件。在这一时期，诞生了温差电偶温度计、电阻温度计、辐射热计、光测高温计以及氢温度计等。 1874年，德国科学家西门子首次制成了电阻温度计，它是利用金属或半导体的电阻随着温度改变的性质而制成的一种温度计，由于这种温度计比较精确，往往被用作温度测量的标准。 1902年，由费里发明的辐射热计是一个带有手柄的圆柱型仪表，它可以测定来自一个方向的热辐射强度。仪器的背面有着棋盘形黑、白相间铝箔制成的辐射热接受体，正面则是一个电流表。如果我们要进行测量，只要将接受体对着辐射源直接读数就可以了。 光测高温计又称为光学高温计，它是利用炽热物体发出的光测量其温度的一种高温测量仪器。1878年由克罗伐研制的这种仪器其实是一个内部装有特制电灯泡的简单望远镜，使用的时候，将它直对着待测物体，使待测物体的发光面在灯泡的灯丝处形成一个明亮的像，然后再调节灯丝的电流，使其亮度与像的亮度相同，这时，由电流的大小就可读出炽热物体的温度。它可以测量800℃至3200℃之间的温度。 氢温度计是一种气体温度计，1901年由霍尔本研制成功。氢温度计是利用氢气的压强或体积随温度而变化的性质制成的温度计。 今天的温度计已成了一个大家族，尤其是进入电子时代以后，小巧灵便的液晶显示温度计更是受人欢迎。 |
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