诺贝尔物理学奖史演义(十二)——“航海恩人”达伦

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-06-03

他因改造海航灯塔上的自动阀门而被称为“航海者的恩人”。

1912年10月27日,在诺贝尔奖颁奖现场,瑞典医学教授阿尔宾·达伦代替一个月前在实验中,因乙炔爆炸而双目失明的哥哥尼尔斯・古斯塔夫・达伦,默默上台领走了年度物理学奖。

诺贝尔物理学奖颁奖现场(来源:百度)

诺贝尔物理学奖颁奖现场(来源:百度)

“我们要以诺贝尔和达伦先生为榜样,继续前进。他们为了科学不惜牺牲自己的身体,为人类文明做出了巨大的贡献。”瑞典皇家科学院院长索德巴姆宏亮的声音响彻全场,一时掌声雷动。

院长为何为何说出这番话?达伦又是什么来头?……要弄清这些答案,还得从当时西方的海航事业说起。

灯标难倒科学人

19世纪末20世纪初,西方国家发展迅速,海航事业日渐繁荣。在没有卫星定位的年代,船只很容易触礁,引发海难。为此,人们在易触礁的海域设置灯塔或浮标(简称“灯标”)。可是,灯标的光源是煤油燃烧产生的,灯光比较暗,还很难发出复杂的讯号,对船只导航作用有限。另外,这些灯标往往远离陆地,管理起来很不方便,浪费了很多煤油。

凡此种种,为了让海航更安全,西方不少科学工作者都在寻找比煤油更适合的燃料,改善光源强度;还有,让灯标只在夜间工作,节省燃料和人工成本。瑞典工程师古斯塔夫・达伦就是其中之一。

达伦生于瑞典的斯卡拉堡省,从小聪慧无比,自学考入著名的查默斯研究所。毕业后到瑞士苏黎世联邦理工学院深造,师从著名教授斯托多拉,研习机械自动化控制,打下坚实的机械制造基础。1897年回国,达伦在研究蒸汽涡轮机的同时,对灯标的改造产生了浓厚的兴趣。他决定沿着同行的足迹,先彻底解决灯标的燃料问题。

古斯塔夫・達倫的諾貝爾獎官方照片(来源:物理月刊网)

古斯塔夫・達倫的諾貝爾獎官方照片(来源:物理月刊网)

其时,西方科学工作者经过反复试验,想用乙炔来代替煤油作灯标的燃料。但乙炔存储罐安全性能差,稍稍操作不当或震动都会爆炸,用起来不方便,更不安全。

达伦以个人名义进行了多次实验,最终都因材料不足、场地不适等原因失败了。

三改灯标救众生

转眼到了1900年。从方便乙炔研究的角度出发,31岁的达伦与朋友创建了达-阿公司,研究阵地搬到了斯堪的纳维亚半岛。瑞典知名企业碳化钙和乙炔生产公司抛来橄榄枝,主动与达-阿公司合作,并聘请他为业务经理。有实体公司背书,又有大公司支持,达伦的研究进程很快。

经过日夜不停地实验,他于1901年研制出人生中第一项重大成果,名字叫“阿加”(agamassan),是一种带孔能吸收大量乙炔的物质,后来专利申请中称为“乙炔溶解罐”。他先把气体乙炔溶在丙酮里,再把丙酮压入10个大气压的钢筒里,然后再放满“阿加”。比一般储气罐容量大一百倍的“阿加”即使遇到强烈撞击也不会爆炸,这样就解决了运输问题。“阿加”用于灯标中,不但发光非常强,而且能发出复杂的讯号。第一个海航难题终于解决了。

达伦的灯塔系统(图片来自 The Rotarian,扶轮社员)

达伦的灯塔系统(图片来自 The Rotarian,扶轮社员)

“要让灯标只在夜间工作,白天不发光,这得用到自动化控制理论。”着手第二个海航难题时,达伦想起几年前在瑞士向斯托多拉教授学习的情景。当时教授还预言,自动化控制将是未来科学发展的方向,航运上的自动化控制只是其中小小一环。达伦决定翻出当年听课笔记,利用自己的职务优势抓紧试验。

此时,碳化钙和乙炔生产公司已与瑞典达-阿公司合并,更名为“AGA”,主要生产“阿加”,达伦升任总工程师。1904年,针对乙炔燃烧只需持续1/10秒即能让远处看清的原理,他设计出一种可使乙炔在瞬间点燃发光并迅速自动关闭的频闪开关。每升乙炔气体可产生数千次强光,而之前一升煤油只能产生五十次闪光。燃料的节省高下立判。

为了实现乙炔燃烧的全自动化管理,达伦根据物理学热胀冷缩的原理又发明了太阳能阀门。日出时,装置里的黑色金属片吸收阳光,膨胀后由装置关闭气阀;日落时,黑色金属片收缩,弹簧装置自动打开气阀,点燃乙炔。。

瑞典的灯塔1980年一直沿用电气化系统。

瑞典的灯塔1980年一直沿用电气化系统。(来源:物理双月刊网)

频闪开关和太阳能阀门,构成了航运史上新型的灯标系统。此系统节省了巨额的费用。同时,也让欧洲各国的海运变得安全起来。1911年,巴拿马运河管理局开始使用此灯标系统;次年,新灯标系统被安装于瑞典的大部分沿海区域;1913年开始,西方许多国家用新灯标系统来保驾护航……

诺奖评选是非情

1912年9月,达伦升为AGA公司总裁,但他并没停止科学研究的步伐。可惜的是,在一次加热乙炔罐的实验中,发生了爆炸导致双目失明。次月,获得了诺贝尔物理学奖并被授予“航海者的恩人”的荣誉称号。此后,达伦在管理AGA公司的同时,被选为瑞典工程科学院和皇家科学院的院士,直到1937年12月去世。

雙目失明的達倫與妻子艾瑪,攝於1937年(来源:物理月刊网)

雙目失明的達倫與妻子艾瑪,攝於1937年(来源:物理月刊网)

其实,达伦获得诺贝尔物理学奖,是诺贝尔奖历史上的一件有争议的公案。当时他只是瑞典一位名不见经传的工程师,而他的发明,较同时代的许多研究成果来讲不值一提。他的获奖,不但出于感情的需要(因研究而失明),还与诺贝尔物理学奖的提名及评选机制有关。

按规定,诺贝尔物理学奖由专业评委会或瑞典皇家科学院提名,其中前者是主体,组织评选及最后决定是皇家科学院。诺贝尔奖设立早期,瑞典皇家科学院与专业评委会一直存在芥蒂,双方对提名人选都暗地里互相抵制。1912年,专业评委会提出17位物理奖获得者名单,大多都名满天下。皇家科学院只提名一人——达伦。为了铁腕强调自己的主持地位,皇家科学院发力动员,在会议上以37票对28票的优势让达伦通过提名人选。院长索德巴姆也知道此举有些过分,所以决定颁奖会取消领奖者演讲,也不按惯例印发人物及成果宣传手册。这才有前文阿尔宾·达伦默默领奖的一幕。

诺贝尔物理学奖专业评委会对瑞典皇家科学院的行为表示抗议,很多会员公开撰文抨击此事。为了平息众怒,瑞典皇家科学院决定从专业评委会提名的17位物理奖获得者中选一人授予1913年度物理学奖。经过讨论,最后订为卡末林-昂内斯,因为他在氦气液化上做出重要贡献。卡末林-何许人也?氦气液化有什么重要用途?……欲知后事如何,且听下集分解。

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【参考资料】

1. 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君

2. 图书《权谋:诺贝尔科学奖的幕后》,中文版杨建军译,2005年上海科教出版社出版

3. 论文《百年诺贝尔物理学奖探析》,《物理》2002年第10期,作者仲伟纲、丰建淑

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