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战后一位日本研究生的经历
1983年科学出版社出版的《流动的固体》,是日本流变学家中川鹤太郎写的极其小巧的科普书。32开的书总共只有151页!同时代日本还有一本差不多薄的书叫《相对论浅说——宇宙时代的常识》。我是初三的时候才从中学的图书馆里找到这本毫不起眼、破破烂烂的旧书的,当时我就惊叹于相对论能够用这么小的篇幅讲明白,而且看完了之后发现还真讲得特别明白。作为一个搞化学的人,我的相对论水平基本上就是那个小书的水平,却觉得够用了。遗憾的是,量子力学方面没有类似这样的小书,现在我不得不从又厚又艰深的教科书啃起。唯一带有一点科普味的可能要算费曼物理学讲义的第三卷了。
说回到《流动的固体》这本书,作者在序言里谈到了他在战后进行流变学研究的事情,我觉得读起来很有意思:
战争不久结束了,我从军队又回到了大学的研究室。在确定研究题目的时候,我感到当初那个毕业研究题目——“泡”的问题——现在对我来说有点复杂了,太困难了。我请求老师给我另外一个题目。当时老师给我的题目就决定了我后来的研究方向。这本书所讲的内容就是我在这方面所作的工作。老师给我的题目叫作“液体的拔丝性质”。所谓“拔丝性质”,用普通的话来就是“纳豆和蛋清为什么能拉成丝”的问题。
虽然说从老师那里接受题目后高高兴兴地回来了,可是仔细一想,这个“丝”的复杂程度并不亚于那个“泡”。拔丝性质当然是物质的一种性质,但是要弄清楚它的形成原因,必须测量其它一些性质。我想测量一下表面张力。可是,关于这个问题,德国的一位叫奥普林的学者曾经说过,拔丝性质与表面张力无关。看来,与拔丝性质最可能有关系的是粘滞性。我们知道,糊状的粘性液体容易拔丝,可是奥普林对此也作过详细的研究,并且认为,与拔丝性质有关的不仅仅是粘滞性,而是粘滞性加上“某种性质”。这个“某种性质”是什么呢?以奥普林为首的几位学者当时认为,这个“某种性质”也许是像弹簧那样的伸缩性或者象橡胶那样的拉伸性(即弹性)。“液体有弹性吗?”这个问题在当时还只是一种设想,因为那里还没有测量过拔丝液体的弹性。
感想:这段话提到的“液体弹性”的提出,其实就是“粘弹性”(viscoelasticity)概念的提出,是一件具有划时代意义的事情。这个词成了超过一个世纪以来一大批流变学研究者的饭碗,成就化纤和橡塑制造工业。
爱好实验的我总是喜欢用手做点什么或测量点什么。我决定制作一个能测量拔丝性质的实验装置。
当时是处于战争刚刚结束的时候,吃的东西很缺乏,当然也买不到实验用的电动机之类的东西。即使能弄到手,怎奈研究室内几乎每天停电。因此,最可靠的办法是利用地球引力来作实验装置的动力。于是我作了这样一个实验装置:……
……用重力作为动力,停电也就无关紧要了。……
感想:这是一段让我感到十分敬佩的,尤其是省略掉的关于他的装置的具体设计的一段。我也阅读了跨越粘弹性研究历史的大量研究论文,深知粘弹性的研究是伴随着测试仪器的进步而进步的。然而无论哪件仪器设计,动力装置和感应装置都是必不可缺的核心部件。该书的作者、年轻时代的中川鹤太郎在物质如此缺乏的年代仍然倒腾出了有效的实验仪器,这种智慧和精神实在是经典的科学家精神。现在仪器厂商服务到家,这样鲜明的创造行为很难看到了。现在很多研究者,尤其是中国的研究者,不重视仪器的改造和设计。殊不知大量科学革命恰恰是新仪器和新手段的使用所引发的,远的就如放大镜的发明使人们既看到细胞又看到了月球表面;近的如光速测定的迈克耳逊-莫雷实验,直接结束了“以太”论,为相对论打开了大门。
怎样测量拔丝液体的粘滞性和弹性呢?关于液体的粘滞性的测量方法,作为一个化学工作者,我是知道的。但是,液体有弹性吗?如果说有,怎样测量它呢?如果是测量固体的弹性,那么只要查阅一下物理学和机械力学的参考书就可解决问题,例如测量一下大体受力时弯曲多少,伸长多少就可以了。但是现在需要测量的是“流动液体的弹性”。
正在困难当头之际,我在岩波书店出版的一本《科学》杂志上看到了东京大学理学部地球物理学系的久山多美男先生写的一篇“粘弹性系数的新测量方法”的简短报告。这是战争结束的第二年,即1946年的事。报告中讲到,这个方法不仅可以测量粘性液体的粘滞性,而且可以测量它的弹性。初次看到“粘弹性”这个名词还觉得新鲜。我想,久山先生也许是在日语中首次使用这个名词的人了。用地球物理学家想出的测量方法来研究”拔丝性质“这个化学问题,对于我这个学习物理化学并专门从事物理性质研究的人来说,确实是件愉快的事。当时对于物体的流动与形变性质作过专门研究的化学家几乎还没有。关于这方面的知识我也是开始学习,同时制作了前面讲的那套测量装置,对拔丝液体的粘滞性和弹性进行了测量,研究了粘弹性与拔丝性质之间的关系,作了拔丝性质的研究。
感想:我国又是谁第一次提出“粘弹性”这个中文词的呢?莫非是于同隐?“粘弹性”原来还是源于地质学的吗?我原本是知道地质学也使用“粘弹性概念的,但一直以为它借用自流变学,而不是相反。看来,地质上的“粘弹性”同样有趣。
与今天相比,在那个时代科研工作者要获得一篇两篇的相关论文,是多么费劲,又是多么认真对待!从中川鹤太郎描述他看到的《科学》杂志那一段的字里行间就能体会到了。如今,我们查找一篇文献有着这么多的途径,人却反而懒了。不过,如今垃圾化文也多了,一篇论文也不值得花太多的时间,现在动不动要浏览的往往就是上百篇的论文,像中川说的那样“困难之际在某书局看到《科学》杂志的一篇简报”这种事情,也许只属于他那个时代了。
一般人不太留意生活中的流变学现象
我自己是研究高分子流变学的。那么,我是不是就可以向大家介绍一下流变学呢?但是,流变学这回事,对一般人来说既陌生又熟悉,不容易找到切入口。
说熟悉,是因为每当一个家庭主妇在做蛋花汤之前熟练地用筷子打鸡蛋的时候,就是在进行着一项非牛顿流体的动态力学实验;当人们品味着一颗高级巧克力的“口感”时候,就是评估巧克力在大剪切场(咀嚼)下的粘弹性。还有更多的例子,例如兰州拉面和拔丝地瓜。在食品和化妆品中所有的使用体验,可以说都其实是流变学性质,每一位精明的女性都很大程度上是流变学专家。
但是,流变学研究毕竟不是办美容杂志,流变学家也不是一些食家。它的任务是研究这些流变现象的原因和规律,上升到理论,为生产企业提供指导。一般人平时熟悉这些现象,但很少人把它们当成类似“水分蒸发”或“食盐溶解”那样的“科学现象”,不觉得这里面有什么科学内容。大家对这些流变现象也已经司空见惯了。而且,物质的流变学性质,对生活用品的使用过程影响往往不大,其涉及的最多就是“口感滑不滑”之类的消费体验,大多数情况下不是决定用口质量的主要因素。
流变学变得很重要的地方其实是高分子制口的生产企业。在塑料、橡胶和化纤生产过程中,都是把原材料熔融成“胶”,不断地搅拌、挤出以便混进必须的添加剂。在此过程中,如果不注意材料的流变学性质,不仅出来的产品容易出毛边、回缩变形、或者颜色不匀等问题,甚至在生产过程的半路中途出毛病,以至损坏机器设备。流变学是高分子制品工程师和技术人员的必修课。我们常常感到名牌电器外壳往往形状统一、表面光滑、配合精确、色调高尚,而“山寨”产品的外壳则参次不齐,看上去就显得低档。这是因为大型厂商在生产中更重视学习和利用流变学知识的结果。
因此,流变学的知识,就算走出实验室,也就止步于工厂,一般大众很难体会到它的重要性。