Daily Archives: 2008年10月9日

关于真空的美丽往事

Horror vacui是一句拉丁文,horror是害怕,vacui是真空。这句话源于亚里士多德的陈词滥调:“大自然厌恶真空”。在政教合一的年代,这也是一条科学规律,就跟“重的铁球先着地”一样。在政教合一的年代,科学规律又同时是教义,并不允许任何挑战。这种情况现在看起来非常可笑。

在艺术上,horror vacui是指一种拼命把画纸填满,不留一点儿空隙的艺术倾向。horror vacui的作品一般都画得密密麻麻,而且多为重复,似乎那些内容完全是为了尽快把空隙填满而,并不讲究什么创意。有时填充的内容倒是不重复,五花八门,什么抄的书啊,乐谱啊,各种图形啊一股脑地填进去。

我妈说,小时候带我去学画画,老师布置作业是回去画一个钱包。我回去,画了一个钱包,觉得意犹未尽,于是不断地画,每个钱包都是不一样的,并且注明了这些钱包是几岁用的,我所能知道的最老的岁数是99岁,中间的岁数也是根据我对二位数的掌握情况随机编一个,但钱包总之是要画满整张纸。结果,全班只有我一个人的作业是两个以上钱包的,让老师哭笑不得。看来我小时候有很强的horror vacui倾向。

现在,我的房间的凌乱程度也颇有horror vacui风格。

说回到科学规律。一直到伽俐略都还相信大自然厌恶真空,具体地说就是任何真空的状况是不可能自然维持的,要想维持真空,人就要跟自然对着干。直到1643年他的学生托里拆利(Evangelista Torricelli),发现了气压计上面的一小段空的部分应该是真空,实验证实了真空可以不经人力而自然存在的,否定了大自然厌恶真空的“定律”。

托里拆利的气压计被帕斯卡拿去登山用了,不小心被他发现了“大气压”的存在。大气压可以被气压计测出来,显示一个数值,单位量纲(N⋅m-2)是帕斯卡搞清楚的,所以就叫帕斯卡。不过,光有个测量数值,仅仅是间接暗示大气压的存在,为了直接证明大气压的存在,马格德保市长居里克在里根斯堡举行了著名的马格德堡半球实验(Magdeburg hemispheres)。不过,在当时要弄出这样的真空度来,还是有一定难度的。在此之前人们一直用水泵。居里克自己发明了有点像今天的单车打气筒的抽气泵,并用这个泵给半球抽气,才达到了满意的效果。

居里克发明了这个抽气筒,当时还贵得一塌糊涂呢。没多少搞科学的人士买得起。后来,波义耳自行设计了一个,然后送给了皇家学会,之后又做了两个自用。在当时,全世界除了波义耳的这三个泵之外,就还有不超过四个泵了。波义耳的泵实际上是胡克动手制作的,由于设计得太苛刻、太复杂,这个泵基本上只有胡克本人才玩得转(瞧下图那架势)。靠着胡克的帮忙,波义耳做了很多关于真空的实验,包括著名的波义尔定律pV=常数。

波义耳还把很多动物放到玻璃缸里抽真空看它们怎么死,经过一系列重复的、严谨的实验,波义耳得出的一个结论是——动物的生存是需要空气的。波义耳把他的所有关于真空的实验都写在了一本书里面,书名叫:New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air, and its Effects (Made, for the Most Part, in a New Pneumatical Engine)。大家都别奇怪,那个时候时兴用很长的书名。

有一个画家叫Joseph Wright的很看不惯波义耳以及当时其他科学家的残酷行为,以波义耳的其中一个“真空杀戮”实验为题材,画了一幅油画,叫An Experiment on a Bird in the Air Pump,这是很著名的油画。油画中的鸟正在扑扇着双翅挣扎。大家可以看到画中不同人物的不同表情。右边那两个女的自然是不堪如此惨象,其中一个简直背过脸去。左边的一对情侣却只顾着互送秋波。下面的两个绅士则带着好奇的眼神看着那鸟。而画面的主角——主持实验的科学家,则用挑畔的眼神直盯着你,似乎在拷问观画的我们,到底要不要进行实验,杀死那只鸟(建议点击看大图)。

桌上摆放的物品也很有代表情,比如,右边的桌角上放着一个马格德堡半球,其余的物品还有温度计、蜡烛等。当然,最显然的就是那个带摇杆的抽气泵了,画中的形式应该是忠实地体现了当时的抽气泵的主流样式。桌子中间的大杯子里面泡着的是一个骷髅。骷髅在静物绘画里的出现是十六、十七世纪北欧作品的一种现象,叫做vanitas(虚无)。Vanitas的作品一般是通过画一个髓髅、蜡烛、或者腐烂的水果、泡泡、沙漏等等来表现生命的脆弱和短暂,以及死亡的必然和突然。在这幅真空实验里出现vanitas,跟缸内的鸟不断挣扎的形象形成了强烈的对比。

在电汽化时代之前的真空泵还有Geissler泵和Sprengel泵。你能看出它们的原理吗?它们都基于托里拆利的气压计原理。

H. Geissler是一个物理学家,同时也是一个烧玻璃的熟手技工。他能烧出各种奇形怪状的玻璃管。1857年,他把用他的Geissler泵给装有电极的玻璃管充进稀有气体,抽真空,然后密封。通电之后,气体被电离而发出荧光。而且不同稀有气体的颜色是不一样的。结合玻璃管的特殊造形,这样的光管非常美观。于是大家都把这种电光管称为Geissler Tube。跟几百年前居里克发明的抽气筒不同,Geissler Tube这种新发明卖得倒是挺便宜的。

Geissler Tube的发明,直接导致了阴极射线管(cathode ray tube,CRT)——电视机的产生。真空带领着人类进入了电汽化时代。此后,电动的泵成为了主流。

直到今天,人类对真空的认识一直没有停止,但我对真空的认识就只停在了波义耳时代。据说基于量子力学的真空存在着量子涨落,因为完全的绝对的虚无不符合不确定性原理。在量子力学理论中,真空对应着一种最低能量,称为零点能量。(如果我说得不对,请大家回复指正。)

随着弦论的建立真空还有N多种,以至于形成了一道景观(landscape)。这种“景观”到底是什么样子的呢?也许如下图所示,也许我们三维世界的生物根本没办法想象……

麦克斯韦妖给你的笔记本电脑散热?

使用笔记本电脑的朋友一定都感觉得热,冬天把手放键盘上还挺暖和的。市面上还有专门给笔记本使用的架子,把笔记本架空,改善散热效率。至于英语把笔记本叫做“膝面电脑”(Laptop),以对桌面电脑(Desktop PC),就更加理想化了——事实上,这么烫的东西放在膝盖上最多不超过三分钟就受不了了,系统比较慢的三分钟还不够开机……。

计算机的散热问题一直是一个老大难。电脑里面很多元件都会很烫,拆过电脑的就知道,最烫的地方都是硬盘和芯片——信息处理的中心。芯片之所以发热,是因为信息处理的物理实现是不可逆过程,根据热力学第二定律,就要产生一定的热量。热力学的表述有很多种,全都听着令人沮丧。在历史上同样讨厌第二定律的著名历史学家是麦克斯韦(James Clerk Maxwell),为了给第二定律找茬儿,他在1867年提出了一种情况:

一个装有气体的封闭绝热容器中间有一个档板把容器分成A、B左右两室。档板原本是打开的,于是整个容器达到了平衡。假如有一个小精灵操纵档版在旁边看着这些气体分子,把其中跑得快的放到左边去,跑得慢的放到右边去,这档板是理想的,没有磨擦,于是这小精灵尽管来来回回地忙活但是做功为零。这样的话,最终体系就变成一边冷一边热了。

这个思想实验最先是在麦克斯韦的书《Theory of Heat》的末章Limitation of the Second Law of Thermodynamics。后来威廉·汤姆森(就是开尔文爵士)把这个小精灵称作“麦克斯韦妖”(Maxwell’s Demon)。按照麦克斯韦妖的能力,它也可以把混匀了的化合物重新分成纯物质而不作功,把膨胀了的气体重新压缩而不做功……任何一个例子都足以推翻热力学第二定律。

只要热力学第二定律失效,我们就有望不用做功来维持低熵有序,就有望设计出不用能耗,不生热的计算机来。我们真能请麦克斯韦妖来给我们的笔记本电脑散热吗?

1929年L. Szilard在发表了一篇著名的反驳麦克斯韦妖的文章(Zeitschrift für Physik A: Hadrons and Nuclei, 1929, 53, 840-856. DOI: 10.1007/BF01341281)。他认为,麦克斯韦妖必须通过某种形式的测量才能知道哪个分子跑得快,哪个分子跑得慢。这个测量的过程,以及信息的获得,必然要导致熵增。所以,容器内的气体自动变成一边冷一边热的过程的熵降,都被麦克斯韦妖不断操心的熵增给抵消掉了。

标题的英语翻译是:On the entropy reduction in a thermodynamic system with intelligent beings interference(论智慧生物干扰下的熵减体系)

这说明,“操心”也属于做功的一种!麦克斯韦妖纯操心也要出汗,要生热的,所以,请麦克斯韦妖来给笔记本散热的主意基本上没戏。

关于这个问题,计算机巨头IBM也没少操心过(熵也增了不少),1961年,IBM的研究人员Rolf Landauer在IBM Journal of Research and Development发表了一篇文章,证明了每比特信息的不可逆操作最少要增加大小为kBln2的熵,其中kB是玻尔兹曼常数。很多信息处理都是不可逆操作,比如对两比特的异或操作,因为只有一比特的输出,这一过程损失了一个自由度,因此是不可逆的。这就让大家兴奋了——如果把信息的逻辑处理都改成可逆过程,就可以达到无熵增的信息处理(或者说信息熵为零)呢?很多逻辑处理都可以设计成可逆的,1972年,IBM的另一个研究员Bennett甚至证明了所有计算都能找到一个可逆的逻辑路径。因此,科学家就开始研究“可逆计算”(reversible computing)。1980年Paul Benioff发现可以利用量子相干性进行计算之后,科学家的注意力又转移到了“量子计算机”(quantum computing)上,一直火到现在。

R. Landauer的1961年文章(IBM J. Res. Dev., 1961, 5, 183)

不过,所谓“可逆计算”,其前提总是隔离环境,即孤立系统。而事实上根本没有什么系统是孤立的。同时,正如我们使用Word的时候点“还原”操作一样,可逆计算是以占据内存空间为代价的。所以,量子计算机的研究很长一段时间来都是理想国度的游戏。尽管R. Landauer的“不可逆的kBln2”发现导致了量子计算机研究,被称为量子计算机之父,他本人生前却一直不遗余力地批评量子计算机研究。他认为所有量子计算机研究的论文都应该加上如下脚注:

This proposal, like all proposals for quantum computation, relies on speculative technology, does not in its current form take into account all possible sources of noise, unreliability and manufacturing error, and probably will not work.

这篇文章的研究正如所有量子计算的文章一样,没有考虑各种可能的噪音源,没有考虑实际生产的误差和缺陷,因此基本上没戏。

但是,Landauer的批评总是同时附带着建设性的建议,所以尽管表面上是一个量子计算研究的批评者,实际上却及时提醒了沉迷于具体问是研究者们什么根本性问题正悬在他们的脑袋上,因此大大刺激和促进了量子计算研究的完善和发展,是当之无愧的量子计算机之父。

Thiele和Kofler——熔点测定的两个名字

在化学中用人名来命名的东西太多了,光反应式就有厚厚的一本“人名反应”,包括各种规则、重排。在实验仪器上,也充斥着各种名字。在熔点测定方面就有两个名字Thiele和Kofler。

Thiele管

这种管子学化学的同学都应该了解,大学有机化学实验的“毛细管法测熔点”基本上是用Thiele管来做的。Thiele管并不一定是J. Thiele发明的,只不过是他首先在期刊中介绍了这种管子,所以后来大家就都叫Thiele管。Johannes Thiele的小豆腐块在1907年作为Mitteilungen(小通讯?)发表在Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft(Ber., 1907, 40, 996-997. DOI: 10.1002/cber.190704001148),题为:Ein neuer Apparat zur Schmelzpunktsbestimmung(一种熔点测定用的新装置)。

测量之前,要把样品粉末装到一个封了底的毛细管里(所以只需要很少的一点样品),然后把毛细管和温度记绑起来,插到装有加热介质的Thiele管里面。加热介质可以是油或者硫酸。由于Thiele管的b形设计,加热管的底端会使管里的液体自动绕着管子产生对流,使得管内的加热介质不用机械搅拌也能达到传热均匀。

说起这个Johannes Thiele,他还是一位不赖的化学家。比如,他发现了酮和环戊二烯反应生成各种富烯衍生物(Ber., 1900, 33, 666-673. DOI: 10.1002/cber.190003301113. “Ueber Ketonreactionen bei dem Cyclopentadiën”)。他还是1927年诺贝尔化学奖得主H. Wieland的博导呢。1918年他去世之后Zeitschrift für Angewandte Chemie(就是现在的Angew. Chem.)还刊登了一篇讣告。1927年,还是在Ber.这个期刊上刊登了关于他生平和学术的详细传记。

Kofler热台显微镜

1926年Ludwig Kofler担任University of Innsbruck的药剂学系的教授。他主要兴趣是拿显微镜来研究天然产物和合成药物,最终他捣鼓出了一个热台显微镜(Koflersches Thermomikroskop),可以边加热边观察。利用热台显微镜,可以只挑取很小的一粒样品,然后在显微镜下观察它的熔化并确定熔点。Kofler发明了这个显微镜之后,一时间他的系里发表了很多关于熔点的文章。

他还发明了个叫作Koflersche Heizbank(Kofler’s Hot Bar)的东西,但我不知道怎么用。

1951年Kofler去世的时候,Microchimica Acta为他刊登了一个讣告。