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第四节 进行升空的冒险

  门捷列夫就像一本百科全书,里面的知识包罗万象:有化学的、有物理的、有农业的、有地质的、有气体的……

  曾经,在化学元素周期律的研究告一段落之后,门捷列夫把目光投向了稀薄气体。他预言了两种新的元素,并且为它们命名。

  他声称:“当我在1869年设计元素周期表时,曾经设想存在着比氢还要轻的元素,但当时没有来得及认真思考,现在要发展这一思想。”

  以太是希腊语的译音,意思是“上天的空气”,在古希腊神话中,指天神呼吸的纯净空气,与凡人呼吸的下层混浊空气不同。

  他预言Newtonium处在氢的上方,原子质量约为0.170,而Coronium则应该是能在日冕中找到的新元素,它的原子质量约为0.4.

  门捷列夫是以太学说的执着拥护者,这次的推论就是建立在以太学说上的。他认为,一旦证实这两种元素的存在,人们便可以真正地深入认识“以太”的实质了。

  柏拉图把四元素几何化,认为组成它们的原子形状分别是体现其性质的一种正多面体。但是正多面体共有五种,还剩下的一种,柏拉图认为对应的是第五种元素,宇宙和天体即由这种最高元素构成。柏拉图的学生亚里士多德把这种元素称为“以太”。从此以太成了一个自然哲学的概念。

  在亚里士多德的自然哲学体系中,水、气、火、土是构成地球的元素,它们是变化的,并做直线运动。而以太是充满太空和构成天体的元素,它是永恒不变的,并做完美的圆周运动。

  中世纪西方哲学家基本上接受了亚里士多德的说法,只是作了一点小改动:以太的密度是会变化的,构成天体的以太密度要比充满太空的以太介质的密度要大一些。

  牛顿力学的创立颠覆了传统观念,证明天体和地球一样由相同的物质构成,遵循相同的物理定律,例如万有引力定律。天体不再被认为是由以太组成的。但是太空中充满以太这个观念却不仅没有被抛弃,反而有了一定的科学依据,由哲学观念变成了科学假说。

  万有引力定律告诉我们,两个物体不互相接触,也彼此存在吸引力,即使两者的距离非常遥远,这种力也依然存在。那么,这种超距离作用力是如何产生的呢?力可以不接触就传递出去,这是难以想象的,似乎应该有一种介质来传递引力。

  牛顿和其他许多人都假定这种媒介就是以太。不过,牛顿在这个问题上的立场并不一致。在其他场合,他拒绝提出假说来解释引力的性质。而据牛顿的朋友说,牛顿后来干脆说引力直接遵循上帝的旨意。

  当考虑到光的传播时,问题更大。第一个有关光的性质的科学假说是荷兰科学家惠更斯提出的。他认为光是一种波。光的衍射现象很容易让人想到光是一种波,就像水波的衍射一样。但是要用波动来解释光的直线传播、反射、折射等各种光学现象却不容易。

  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释了各种光学现象,让光的波动学说有了理论依据。

  但是,光如果是一种波的话,根据当时的知识,这就意味着它需要借助某种介质来传播,就像声波以空气为介质、水波以水为介质传播一样。

  然而,波义耳已证明在真空中声音不能传播,光线却可以传播——你可以透过真空看到东西。这表明在真空中有某种比空气还要细微的介质来传播光波。惠更斯认为这种光波介质就是以太。

  如果光是一种通过以太介质传播的波,而我们能够看到星光,说明以太介质充满了太空。牛顿认为这将会阻碍天体的运行,但是既然所有的观察都表明天体的运行并没有受到什么介质的影响,没有证据能够证明这种介质的存在,就不应该认为光的传播需要介质,那么光就不是一种波。

  牛顿提出了一个针锋相对的学说,认为光是一种极其细小的微粒,而且它们的运动遵循他发现的三大运动定律。光的微粒学说很容易解释光的直线传播和反射: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引起的。

  但是用微粒学说来解释光的折射和衍射却很困难。为了解释折射现象,牛顿不得不假定存在一种以太介质,它传递振动的速度比光要快,折射被认为是在不同地方的以太介质的密度和弹性不同引起的。至于这种以太介质究竟是什么东西,牛顿承认他不清楚。

  进入19世纪后,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。1850年,法国物理学家傅科用实验证明了光在水中的速度比在空气中慢,这一结果与微粒学说相冲突,而符合波动学说的预测,牛顿的学说被推翻了。

  此后,英国物理学家麦克斯韦建立电磁学,他的电磁方程计算出电磁波在真空中的速度恰好等于真空中的光速,表明光就是一定频率范围内的电磁波。德国物理学家赫兹用实验证实了这个预见。波动学说取得了全面的胜利。

  波动学说的胜利也是以太学说的胜利。当时的物理学家仍然认为,正如机械波的传播需要特定介质,包括光波在内的电磁波的传播也需要特定介质,这种介质必须充满所有的空间,惠更斯的以太说因此又复活了。

  而且,麦克斯韦电磁方程要求所有的电磁波在真空中都以恒定的速度,即光速传播。在牛顿力学中,这要求有一个绝对的参照系,否则参照系发生变化,电磁波的相对速度也应该跟着变化。静止地充满宇宙的以太被认为就是麦克斯韦电磁方程所需要的绝对参照系。

  地球在围绕太阳公转,相对于以太具有一个速度v,因此如果在地球上测量光速,在不同的方向上测得的数值应该是不同的,最大为c+v,最小为c-v,此时存在假设以太相对太阳参考系是静止的。但即使以太相对太阳参考系不是静止的,在不同的方向上测得的数值也应该是不同的。

  但是,1881~1884年,阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度,进行了著名的迈克尔逊—莫雷实验,测量了不同方向上的光速。

  然而实验结果显示,并不存在这个速度差异。这实际上证明了光速不变原理,即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值,与参照系的相对速度无关,以太其实并不存在。

  后来又有许多实验支持了上面的结论。像门捷列夫一样坚持“以太学说”和“原子不可分的”“元素不能蜕变”观点的人越来越少。

  门捷列夫不得不承认自己对两种新的气体元素的预言,是纯粹的思想产物,完全可能落空。

  一些人,失败了就会放弃,可是门捷列夫却相反,在哪里失败了,就要在哪里爬起来。他说:“研究稀薄气体必须涉及大气上层气象学,目前对这个课题的研究还很薄弱。”

  1887年,年过半百的门捷列夫仍是壮心不已,他想升上天空,实现人的夙愿,到天上研究气体,研究大气上层的气象学。

  想法是好的,但是行动起来确是困难重重。首先是经费问题,靠政府拨款制作气球是不可能的。但是这点困难没有把他吓到,门捷列夫决定自筹资金。

  从这时起,凡是门捷列夫出版的书籍都增加了一页,这一页上印着:“此书售后所得款项,作者规定用于制造一个大型气球并全面研究大气上层的气象学现象。”

  门捷列夫一边筹集资金,一边对自己的气球进行设计。他的想法是在这个巨大的气球下面,挂一个密闭的吊篮,随气球升空的科学家携氧气瓶在吊篮中操纵气球并进行有关测量。

  在那个年代,乘气球升空是一项了不起的冒险,稍有不测,就可能球毁人亡。但是,作为升空气球的实践者,门捷列夫有着超出凡人的勇气。

  波波娃非常担心门捷列夫的身体,于是以一个人既操纵气球又测量数据,效率会打折扣为由,极力地要求他找一个航空专家陪他一同升空。

  门捷列夫觉得波波娃的提议不无道理,于是就邀请航空家柯文科同他一起上天。

  一切的准备都就绪了,可是制作气球的资金仍然不够,门捷列夫为此事愁得吃不香,睡不安。恰恰在这个时候,天文专家预测日食将要降临圣彼得堡。

  得知这个消息,波波娃高兴地对门捷列夫说:“米嘉,别再发愁了,气球的事情有着落了!”

  “真的吗?是谁?谁肯赞助我那么一大笔钱,我真的要好好地感谢他。”门捷列夫高兴地说。

  “没人赞助,是我们向军事部门借。”波波娃神秘地说。

  “那怎么可能,他们不会借给我的。”门捷列夫有点失望。

  “如果你说你要研究稀薄气体,当然不会有人借给你了,但是你要是说你要观测日食,那就不一样了!”

  “波波娃,你的主意太好了!我马上就行动。”门捷列夫说着就往门外走去。

  波波娃看着门捷列夫的背影笑了,自言自语道:“都这么大的年纪了,怎么一说起科学,还像个孩子似的性急呢。”

  1887年8月19日,这个升空的激动人心的时刻到了。在停放气球的空场上站满了人,其中有门捷列夫的朋友,也有一些素不相识的人。大家的心情都是一样的,既紧张又激动。

  再看站在气球边的门捷列夫,虽然已年过50岁,但身上仍散发着青春的朝气。他身上穿着升空服装,和航空家柯文科一起在进行升空前的最后调试工作。

  一切经检测没有问题后,门捷列夫和柯文科跨入吊篮,两个人微笑着,向大家挥挥手,随后进行启动。

  当大家都聚精会神地盯着这吊篮,等着那升空的瞬间时,柯文科发现这个气球的动力只能够载一人升空。

  柯文科当仁不让:“我是飞行专家,让我上吧!你一个人升空太危险了。”

  大家也纷纷劝阻门捷列夫,劝他同意让柯文科先升空。

  门捷列夫哪里肯听,他谢绝了所有的好意,对大家说:“你们别担心,气球也是一种特别的科学仪器。我今天第一次升空作业,绝不能失败。”

  说罢,他看了看周围里三层外三层的人们,铿锵有力地说:“你们看看吧,这么多人和注视科学实验一样注视着飞行。作为一名科学家,我不能破坏他们对科学的信念。”

  他转过头又对波波娃说:“如果我有什么意外,为进行实验结束生命也是一个科学家最好的结局了,到时候千万不要为我难过。”

  波波娃的眼泪夺眶而出,但是她知道自己现在能够做的只有支持和祈祷,于是她擦了擦眼角的泪水,坚定地说:“你去吧,我相信你会成功的!”

  门捷列夫头也不回得,跨进了吊篮,启动了升空装置。

  气球升空了,门捷列夫在吊篮里专心致志地观察着日食,忽然,操纵绳被缠住了,气球不听使唤,在摇摇晃晃地下坠。地面上的人们张大了嘴巴,目睹着气球下坠而又无能为力。

  这时,只见门捷列夫敏捷地爬出吊篮,顺着绳子向上爬,一步,两步……他硬是徒手解开了绕在一起的绳子,从而恢复了气球的飞行姿态。地面上的人们一片欢呼。

  当门捷列夫顺利落地时,一大群人涌了上来,欢迎这位升空归来的英雄科学家。

  当问及在那千钧一发的时刻他的感受的时候,门捷列夫说:“除了幸运,最重要的是对事情的镇静和自觉的态度。举一个例子,就美而言,它应该与目的性相一致,成功也应该和沉着、冷静的手段相一致。”

  门捷列夫对稀薄气体的研究虽然没有取得什么辉煌的成果,但他在进行观测过程中表现出来的无比勇敢和对科学不懈追求的精神让人们钦佩不已。

  为了表彰门捷列夫这次飞行,法国气象航空学院授予门捷列夫荣誉奖。然而,沙俄政府却无视门捷列夫的杰出功绩。在他们眼里航空被认为是卖艺,最多算是一项体育运动。

  而门捷列夫的传统个人风格,就是要把科学与实用挂钩。他坚信航空可以造福于人类。

  1890年,在门捷列夫再三坚持下,俄国技术协会航空部讨论了齐奥尔科夫斯基的全金属飞船的设计。门捷列夫和另一位大科学家茹可夫斯基坚决地支持了这一计划。

  当时发明家莫扎依斯基设计了蒸气动力的飞机,虽然后来证明行不通,但门捷列夫还是认真地参加了审查工作,他的心愿就是早一天看到自己的国家拥有空间民用飞行器。

  不幸的是,在沙皇时代,门捷列夫、齐奥尔科夫斯基、茹可夫斯基等空气动力学大师的成就没有得到应有的重视。但是,他们无疑是后来著名飞机设计师图波列夫、伊柳辛、安东诺夫等的先驱。

  这就是门捷列夫,不愧为“人民科学家”称号的门捷列夫。当历史的长河流过了门捷列夫所生活的时代一百多年,逝去的岁月仍然掩不住他闪光的人格魅力。

  
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