精度、科学与技术

前段时间,在色影无忌里看人吹牛,吹着吹着这帮人就吹到了卡尺和千分尺,有个人说,德国马尔公司原来有一套测量仪器,能准确到万分之一毫米,1901年的时候卖给了西门子公司,这套仪器用了100多年一直没坏,直到2004年,马尔公司从西门子公司买回了这套还在正常使用的仪器,放在了公司的博物馆里面。

我想到了什么呢?我想到的是迈克尔逊-莫雷实验。

迈克尔逊-莫雷实验正是当年开尔文勋爵所说的物理学大厦的两朵乌云之一,本质就是测量地球公转速度相对光速的值。地球的速度大概是每秒30公里,光速是每秒30万公里,差不多地球公转速度正好是光速的1/10000。

两个万分之一,我觉得不是巧合。

马尔的测量仪器,肯定不是只测1毫米以内的量,因此,这个仪器的精度应该是10^-5到10^-6之间,迈克尔逊-莫雷实验,为了保证(广义的)信噪比,精度差不多也要到10^-6这个档次才比较有说服力。事实上,wiki列出了1930年以前的迈克尔逊-莫雷实验的信噪比,大概最多也就在10^-6这个档次。

换句话说,20世纪物理学最大的突破,正是建立在工业技术进步的基础上的。如果没有足够的加工精度做底子,再多的爱因斯坦估计也弄不出相对论:没实验支持,弄出来也没人信啊。

很多时候,我都觉得,是人类的技术进步,造就了20世纪上半叶物理学天才的井喷。赶上了那个好时候,很多二流的物理学家也能做出一流的成就。很多人说把下面这张图上的人拿机枪突突了,物理学会好学很多,我觉得这是幼稚:只要加工精度在那里,定律迟早是会被人发现的,早几年晚几年的事情。当然,很多物理学单位的名字倒是会发生变化。

 

1918年的诺贝尔物理学奖发给了普朗克,1921年的诺贝尔物理学奖发给了爱因斯坦。夹在两个大神之间的1920年的诺贝尔奖发给了谁呢?

纪尧姆。没听说过吧。

这家伙干了什么?

什么也没干,他只不过是发明了一种几乎没有热胀冷缩效应的钢而已。

这种钢叫做殷钢,或者因瓦尔合金,大概是1890年代发明的。那个时候离布拉格公式的发明还有差不多20年,换句话说,纪尧姆根本没法测量他的合金的晶格结构。我估计他就是把不同比例的铁和镍掺在一起一锅锅烧出来的。

然而,纪尧姆拿了一个诺贝尔奖。颁奖词里面,诺奖委员会特别提到了“精确测量”这个词。人们很明白,精确测量,是科学进步的基石。

顺便说一句,迈克尔逊本人是在1907年拿到诺贝尔物理学奖的,表彰他的原因,也是对光的各种性能的“精确测量”。实际上,迈克尔逊本人就是当年测光速测得最准的人。

他怎么测光速的?出乎很多人意料,他就是用纯机械的办法高速的转动光源和镜子,简单粗暴。其实,他的思路多半是来自伽利略和傅科。按说和伽利略比,迈克尔逊撑死就是个二流物理学家,可是,伽利略做不到的事情,他做到了。

伽利略苦啊,他那个时候,钟表都没有,计时要靠数脉搏,没工具,哪怕你是伽利略呢。

心情好,再讲个关于硬盘的故事。

读研究生的时候,有一年,教某门物理课的老师懒得上课,就让我们抽签,一个人讲一个问题,我抽到的是“巨磁阻效应”。

从理论上来讲,巨磁阻效应是个非常简单的事情,任何高中理科综合能及格的人,花点时间都能看懂。事实上,20世纪五六十年代的时候,巨磁阻效应就从理论上被预测了出来,却一直没有被证实:为了获得巨磁阻效应,就必须把材料做成非常薄的层,一层一层叠起来,但是当时没有足够的手段去观测确认这样的层-层结构,于是,事情就一直这么晾着。

一层奶油,一层芝麻酱;一层奶油,一层芝麻酱;一层奶油,一层芝麻酱;一层奶油,一层芝麻酱……

好吧,我承认我是饿了。

就这样,直到1982年,IBM做出了一个科学家们翘首以盼的东西:隧道扫描显微镜(STM)。

1986年,STM就拿了诺贝尔物理学奖。这年头,一个诺贝尔奖从做出结果到发奖,基本上要25-30年。4年就拿奖,这是何等壮观的事情!

很快,1988年,在STM的帮助下,法国的Fert和德国的Grünberg就分别在实验中发现了巨磁阻效应,没STM的时候,神仙都做不出来,有了STM,大家抢着就做出来了。这进一步说明,巨磁阻效应理论和实验本身是毫无难度的,关键是等仪器。

又过了几年,IBM开始把巨磁阻效应用在了硬盘制造上,自此,硬盘的容量开始大规模上升。我记得我01年买的30GB的硬盘,大概是1000块,今年买的2TB的硬盘大概是600块,每GB单价十年大概下降了100倍。我个人估计巨磁阻效应的发明,使得硬盘容量增加了大约20倍。

2007年,Fert和Grünberg获得了诺贝尔物理学奖。

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