智慧铸铧犁:科学创新故事

通向科学殿堂的“天街” 自然科学的“百科全书”

《科学创新故事》以故事的形式，讲述了科学家们如何在日常生活与工作中找到创新点，做出新的突破的过程。本书还向广大读者们展示了近现代科学目前各种重要的探索和发明背后经历的艰难困苦，使读者认识到科学研究的不易以及科学家勇于开拓创新的执着精神，从而对科学研究和科学家们产生敬意。

陈仁政，中学教师，长期从事数学等学科教育。在《数学通报》《知识就是力量》《光明日报》等50多种报刊上发表过文章200多篇（次）。出版过《站在巨人肩上》丛书、《七彩学生文库》丛书、《说不尽的π》《不可思议的e》等专著20多种。其中《说不尽的π》与《不可思议的e》获2009年度“国家科学技术进步奖”二等奖；《七彩学生文库》丛书获2016年第一届“中国科普作家协会优秀科普作品奖”提名奖。

地球“小”、月球“近”——“难事”并非难事“为国争光”得奖赏——韦达妙解45次方程欧拉巧用“类比”——伯努利级数面前的创新删繁就简“通向自由”——欧拉的“七桥”和莱特的飞机从“9+9”到“1+2”——在通往“1+1”的道路上制服“雷公”保平安——从尖铁棒到等离子带测量高温的“尺子”——从热电偶到光学高温计借得“古董”解“难题”——一路走来的制冷技术数学教师“变魔术”——巴耳末巧得波长公式从韦伯到索末菲——原子结构模型的创立慢高尔夫球更容易进球洞——费米破解“慢中子之谜”杀了“回马枪”之后——梅曼的激光比太阳还亮摩擦力为什么会“消失”——神奇的多氧素从门捷列夫到查德威克——元素周期律风雨兼程“假饲喂”引出真学说——巴甫洛夫探秘“望梅止渴”窥视人体内的奥秘——从X光到MRI创新为了小麦高产——金善宝和李振声各辟蹊径“水稻没有杂交优势”吗——“禾下乘凉梦”这样开始只有地上的“光学”也不行——从“液体”到“哈勃”从“打水漂”到“冒黑金”——“中国贫油”面前的创新“射水打桩”驯服“无底”河——茅以升钱塘巧造桥借得“细丝”看“诸侯”——神奇的光导纤维“桌子前”移到了“脖子前”——从留声机到MP3从“无线电的心脏”到IC——电子放大器件的更新从SOS到GPS——无线电定位100年从尼普科夫到贝尔德——借得圆盘传图像从贝尔德到兹沃里金——电视如何走进千家万户从“巨人”到“光脑”——“巴贝奇的梦圆了”“苹果”和IBM争霸——“PC”如何走进千家万户自我“推销”之后——磁盘这样诞生借得磁芯造电脑——王安这样成“巨人”多媒体面前辟蹊径——沈望博“嫁接”声霸卡用点阵扫描中文——从“五笔”到“百花齐放”信息交流从“冷战”开始——互联网的创立21世纪的狂奔——跨世纪工程“信息高速公路”金属也有“大脑”——神奇的记忆合金从巴基球到碳纳米管——方兴未艾的纳米技术从羊皮带到光量子——密码一路走来火箭能飞出地球吗——“自带”“大气”遨游宇宙易碎“china”与炭的革命——二院士的“坚强如钢”

    地球“小”、月球“近”――“难事”并非难事
     “尼罗河水闪金光，家乡美丽的土地上，劳动的人们在歌唱。忘掉你的忧愁和悲伤，唱起美好的希望，用劳动的汗水和歌声，迎接丰收的好时光，啊……”
     这是《尼罗河畔的歌声》――一首优美欢快的埃及民歌。
     我们就随着这荡气回肠的歌声，回走到距今2000多年前吧。
     公元前200多年，一个人徒步沿着世界上最长的江河――风景如画的尼罗河向上游走去。用了20多天时间，经过八九百千米的艰难跋涉，他终于到达现在的阿斯旺水坝附近的辛尼（Syene）小镇……
     这个人是谁?他为什么要冲破云山阻隔，历尽千难万险到异地他乡的小镇去呢?
     公元前332年，古希腊北部的马其顿王国的亚历山大（公元前356一前323）征服了埃及。为了庆祝这个胜利，他在当时叫“圣河”的尼罗河河口处，建立了以他的名字命名的亚历山大城。这座城很快成为世界文化中心，这里有当时世界第一流的大学、博物馆、图书馆……
     古希腊数学家埃拉托色尼（约公元前274一前194）就是亚历山大图书馆的管理员（后来担任馆长）。大约在公元前240年的一天，他在亚历山大图书馆查找资料。虽然想找的资料没有找到，但他却在一份文献上看到这样一个记载：亚历山大城南面有个叫辛尼的小镇，每年“夏至”这天中午，阳光能直射到很深的井底。他从未听说过这样的奇特现象，于是产生了极大兴趣。
     阳光为什么能直射到很深的井底呢?为了揭示其中的奥秘，埃拉托色尼决定亲自去看一看。
     埃拉托色尼到达辛尼的第三天正是夏至。那天中午，艳阳高悬天顶，深井里映出它的影子，地上的长竿直立炎阳之下而不见阴影，房屋也没有影子……
     这些现象说明什么问题呢?埃拉托色尼思索着。“这些现象说明这一天射来的阳光垂直于地平面”――他终于得出了正确答案。
     “既然可视为平行光线的阳光垂直于地面，那就说明光线的方向是射向地心的，而几乎在同一条子午线上的亚历山大城却没有这种现象，说明亚历山大城夏至中午的太阳光线与垂直线有偏差。那么，这个偏差有多大呢?”带着这个问题，埃拉托色尼又回到亚历山大城。
     第二年夏至中午，埃拉托色尼对亚历山大城内的柱影进行了测量，发现柱影为柱子长度的12.6％。由此，可以算得太阳光线偏离竖直方向7.2°。这时，一个计算地球圆周的方法在他心中产生了。
     亚历山大城垂直方向与太阳光线之间的夹角为7.2°，这个角度显然与两城垂直方向的夹角相等，即图l中圆心角也是7.2°。显然，此时如果知道两城之间的“直线”（实际是沿大圆的弧）长度，那么地球的周长就算出来了。
     埃拉托色尼从商队经过两地所花的时间，算出两城之间距离约5000斯台地亚（古埃及的一种长度单位，1斯台地亚≈0.16千米）。这样，地球的圆周就是大约5000斯台地亚×（360／7.2），即大约折合为39816千米。由此可算得地球半径约6340千米。
     现在，我们知道地球的优选圆周赤道圈的长度大约是40075.704千米，最小圆周子午圈长约40008.548千米。显然，这些数据与2 000多年前埃拉托色尼得到的地球周长相差无几，这不能不说明埃拉托色尼创新方法的巧妙。
     世界上第一次子午线长度的实测，是在中国有名天文学家、佛学家张遂（又名僧一行或一行，683―727）的主持下，从唐朝开元十二年即724年起完成的。他得出的子午线1度长为129.2千米，和现代值111.2千米的误差仅约13.9％。这次实测，被英国科学史家李约瑟（1900―1995）誉为“科学目前划时代的创举”。
     埃拉托色尼作为世界上第一个以科学而简单的妙法测量地球周长的人，被载人科学史册。他测算的准确度，直到1617年才被荷兰科学家斯涅尔超过。
     不过，话得说回来，埃拉托色尼能得到那么准确的数值也含有一定的巧合成分。这是因为他使用的两城之问的距离5000斯台地亚，并不是实测的准确结果，而是根据商队行走的时间、速度来估算的。很显然，这种估算是不准确的。由不准确的估算和巧妙的计算得到的结果却是比较准确的，这就有明显的巧合成分了。
     P1-3