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西蒙·纽康

这次介绍的天文学家我也是最近才听说,先是在Nature上读到了他的一篇高屋建瓴的大会报告,后来又在第三极看到了他的《通俗天文学》(当代世界出版社2006年9月版),而且居然是由金克木先生翻译。隐约感觉此人来历不凡,稍稍了解一下,发现自己实在孤陋寡闻。

西蒙·纽康 (Simon Newcomb)1835年出生于加拿大,由他担任乡村教师的父亲启蒙,16岁时他被送到一个医生那里当学徒,却发现对方不过是个江湖郎中,于是在1953年跑到美国投奔他的父亲,随后两人一起去马里兰州教书,在业余时间里他广泛学习了从政治经济到宗教等各个领域的知识,数学和天文尤为精进。1857年在华盛顿史密松研究所第一任所长Joseph Henry(1797-1878 电感的单位就是用他的名字命名)的推荐下进入航海天文年历编制局从事计算工作,同时进入哈佛大学师从Benjamin Peirce,1858年毕业。1861年美国内战爆发,许多科学家放弃了联邦政府的工作,他得以填补美国海军天文台的数学教授空缺。随后的十年间他对行星进行了长期的观测,甚至亲自监造了当时美国最大的26英寸(约为66厘米)折射望远镜,因此《通俗天文学》中有许多别处难得一见的望远镜制造历史的细节描述。1877年他担任了航海天文年历编制局局长,开始制定天文常数系统。在仍缺乏有效计算工具的十九世纪,修订天文历法,校订天体数据都相当繁复困难的工作,需要极大的耐心与毅力。这成为他一生中最重要的工作。1897年担任了美国数学学会会长(1897-1898),卸任后创建了美国天文学会,并任第一任会长(1899-1905)。此外,1878年出版了开头提到的《Popular astronomy》(通俗天文学);1885年出版了《政治经济学》,还被凯恩斯评价为新颖别致;1900出版了科幻小说《His wisdom the defender》……1909年在美国哈盛顿逝世

但上述年表式的叙述远远不能代表一个人的真实生活。另一件仍会被人们不时提起的事迹却是无心插柳,有一次他在使用对数表时偶然注意到越靠前的页面使用频率越高——要知道数表不像教科书,不得不经常拿起来看几页,但又看不进去,于是每次都看前两页;数表就像辞典,你很少有心情去浏览记录生僻字的页面。因此更可能的情况是,实际使用中以1开头的数字出现频率更高,他便据此总结出了一个公式:以D开头的数字出现的频率为 lg((D+1)/D)。这个结果发表之后并没有引起太多注意。1938年通用电器公司的物理学家Frank Benford也发现了这个现象,他收集了大量广泛的数据来进行验证,得到了一致的结果。现在这个结论成为统计学上著名的“Benford Law”(关于此定律可参看Jericho的日志)

.如今,他早已在历史的角落沉默,不过百年之遥,昔日的辉煌与荣耀,已是烟波浩淼……帕斯卡尔曾在《思想录》中说过:“当我们援引作者时,是援引他们的证明,而不是姓名”,因为在整齐的符号等式之间已满是他们倾力注入的才智风华……

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[推荐]《玻璃的奇迹》

象所有其他重要的发明一样,光学玻璃的出现也有着曲折的历史,上文因为担心内容庞杂就略过了。这次推荐一本精彩的传记:联邦德国舍费尔(Fritz Scheffel)所写的《玻璃的奇迹——蔡司,阿贝,朔特的创业史》

玻璃在凝固过程中非常容易生成条纹和气泡,因此早期光学系统的成像质量相当有限。十八世纪八十年代瑞士工匠Pierre Louis Guinand发现不断搅拌玻璃液就可以得到均匀的玻璃。1869年门捷列夫(Dmitri Ivano Mendeleev)发表了元素周期表,化学家们从此可以更加系统和有效的研制新型玻璃。德国的光学机械师卡尔·蔡司(Carl Zeiss),物理学家阿贝(Ernst Abbe),化学家朔特(Otto Schott)先后走到了一起,凭借蔡斯多年的生产经验,阿贝深厚的光学理论基础,加上朔特所研制的性能优异的玻璃,将1847年出现在小镇耶拿(Jena)上的手工作坊发展成为世界上最好的光学仪器生产厂商,阿贝和朔特也达到了各自学术领域的巅峰!而蔡司公司并未就此止步。1923年公司的鲍尔斯费尔德教授(Walther Bauersfeld )发明了光学天象仪(planetarium),被称作“耶拿的奇迹”。凭借阿贝当年建立的企业基金,他们顺利度过了二战后的国内经济萧条期,将优良的光学品质传承至今,神话仍在继续……

我看的是上海译文出版社1982年的版本,胡仲华和陈韻秋先生的译文流畅自然,有着属于那个年代的认真态度。我是看着那一辈科技工作者的作品长大的,当时觉得一切都很自然,现在轮到自己来承担这份责任了,才知道其中的辛苦……

这本书恐怕不太好找,短期内也不会再版,就趁着新年放出下载(感谢duyu1977),算作对关注本站的朋友们的一点小小心意吧。

右键另存(尊重版权,请勿用于商业目的)

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光学玻璃分类

光学玻璃作为光学仪器最主要的部件,其性能参数直接影响到镜子的成像质量,但是网上却没有一份较为完整的中文资料,连google上都是满版的广告,sigh……

光学玻璃最早按照氧化铅含量划分为冕牌玻璃和火石玻璃,低于3%的为冕牌玻璃,高于3%的为火石玻璃,后来随着玻璃种类的增多改用折射率(refractive index)和色散系数(dispersion)划分,冕牌玻璃折射率通常小于1.6,色散系数(也称阿贝数,数值越大,色散越小)大于50,火石玻璃则相反。

Flickr上Sillysocks所拍摄的牛眼玻璃

冕牌玻璃(crown glass 缩写中最后一个字母为K):这个名字很容易让人误解为一个品牌,其实只是一种制作工艺,因此也有人翻译成皇冠玻璃:是先把玻璃液吹成一个皇冠状或者空心球状,再放在在一个快速旋转的平板中心重新加热,利用离心力将其展开铺平,形成一块直径1.5米左右的玻璃圆板,较为平薄的边缘就切成合适的形状做窗玻璃,中间的圆形凸起就是透镜的雏形了,不过也有人并不介意图像的扭曲,并称之为Bullseye windows (牛眼玻璃窗)。这种生产方法在1320年左右就被法国鲁昂附近的玻璃工匠发展成熟,但是作为商业秘密没有公布,于是一水之隔的英国人整整进口了三百年的窗玻璃,直到1628年伦敦才出现同样的工艺。

火石玻璃(Flint glass 也译作燧石玻璃,缩写以F结尾):在十七世纪中叶,英格兰东南部白垩纪沉积层中的火石矿被广泛用于制造铅玻璃(火石含铅量通常为4%-60%),故名。但是铅玻璃在生产和处理过程中会对环境造成污染,现在一般用二氧化钛、氧化锆等替代。

由于德国蔡司公司的玻璃型号齐全,性能稳定,一般沿用其命名标准。K代表冕牌,F代表燧石,Z为重,B代表硼,Ba代表钡,L代表镧 ,P代表磷,N代表无铅, 比如双筒望远镜中广泛采用的BK7棱镜,其所用的材料是硼硅酸盐玻璃(borosilicate 德语为 borkron)中的第7号;而视场更亮的BaK4棱镜则采用第4号轻钡冕玻璃(light barium crown ,德语中是baritleichtkron)。其他种类还包括氟冕(FK)、轻冕(QK)、重磷冕 (ZPK)、重冕(ZK)、特冕(TK)、轻火石(QF)、重火石(ZF)、重钡火石 (ZBaF)、冕火石(KF)、特种火石(TF)等等。在以色散系数为横坐标,折射率为纵坐标的阿贝图中分布如下:

阿贝图

还有一个不得不提的材料是Fluorite——萤石,其实就是氟化钙晶体(这种物质在我们的牙齿中就有,对防治龋齿有重要作用),它的色散非常低(阿贝数为95.3),这使得它非常适合用作光学材料,萤石矿分布比较广泛,但可满足光学精度要求的很少,加上其可加工性与化学稳定性较差(微溶于水),因而非常昂贵。

除了光学玻璃,常见的还有一些复合镜片,将几片光学性能不同的镜片胶合在一起使用以克服单一种类的缺陷:比如尼康公司的超低色散镜片ED(Extra-low Dispersion)、佳能公司的UD(Ultra Dispersion)、腾龙公司的LD(Low Dispersion)、适马公司的SLD、美能达公司开发的AD等等,也许是方便炒作吧,我不知道更多的技术细节,就不展开了。

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星表简介之一

赫维留铜版星图中的猎户座“天上的星星数不清”,可天文学家既然要研究它们,首先要有个称呼。古人们给天上的亮星都起了名字,比如天狼星(英文是Sirius),织女星(Vega),并且划分了不同的区域,中国叫“宿”(xiu入声),欧洲则称作Constellation,即星座,而那些较暗的星就根据它所在区域的亮度排名按希腊字母编号(拜尔命名法,Johann Bayer 于1603年出版星表Uranometria时首次使用);或者按数字编号(佛氏命名法,英国格林威治天文台创始人John Flamsteed于1725年出版的《不列颠天图》Historia coelestis Britannica中首次使用),比如参宿中的第四亮星参宿四是猎户座的第一亮星于是称作$Orion\; \alpha$ ,也标作Orion1。

望远镜的使用大大拓展了人们的视野,我们所知道的恒星数目已经庞大到无法用任何一个星表来统计的地步。于是人们根据不同的需要,把同类天体的参数编辑在一起以便于使用。这就出现了不同的星表。现在通常采用星表缩写加编号的方式来命名天体,如果几个星表都收录了同一天体,它就有了不同的名字,比如著名的仙女座大星系,在梅西耶星表中为第31号,故简称M31,在NGC星表中为224号,便又称为NGC224。下面对常见的星表做个简单的介绍:

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Peebles讲座(广告:)

普林斯顿的P. J. E. Peebles
教授将于11月21日(星期二)下午3:30在清华大学理学院报告厅(郑裕彤讲堂)做题为 The Expanding Universe 的报告。此后还有两个后续报告:
1、The Cosmological Tests,11月22日(星期三)下午3:30
2、Open Issues in Cosmology,11月23日(星期四)下午3:30
不过地点改在清华大学高等研究中心地下报告厅。

floating学物理出身的Peebles在研究生阶段(上世纪六十年代初)受到Robert H. Dicke的影响,兴趣开始从物理引力论转向天文宇宙学,到1971年就出版了《Physical Cosmology》 (Princeton Univ. Press, Princeton, N. J., 1971),确立了宇宙学的基本框架,光从这宏伟的书名就可以想见他当年的意气风发!说起来我看的第一本宇宙学的书就是他的《Principles of Physical Cosmology》 (Princeton University Press, Princeton, 1993)。这样的牛人我就不多介绍了,他04年接受邵逸夫奖时写了个小传,我调了一天SkyChart没来得及翻译,只好让大家自己看了。

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米的历史

很久前翻译了一篇单位“米”的历史沿革放在当时的blog里,但是发现现在还是搜不到相关资料,便又校对了一遍重新贴出来,也算凑数了。

译自 http://www.sizes.com/units/meter.htm

米是国际单位制中长度的单位,是七个基本单位之一。1983年被定义为光在真空中1/299792458秒的时间内所通过的距离。(第17届国际计量大会第一号决议)

由于我们已经事先定义光速精确值为299,792,458米每秒,米的这个定义使得它的长度只依赖于一秒的持续时间。现在,光在真空中两点间传播的时间长短不再影响光的速度,而是决定着两点间的距离!

1、米的历史:

在17世纪80年代,法国的度量衡一团糟,有几十个单位,其中每一个又有几十个甚至数百个地方性标准。没有其它哪个国家由于经济工业化和计量系统发展的不平衡而出现如此多的问题。早在法国大革命之前,就有政治家呼吁改革度量衡。而且,按照当时流行的卢梭精神,单位应该是在某种程度上“自然”的。

2、秒摆:

Jean Picard, Olaus Rømer 和其它天文学家曾要求将长度单位定义为摆动周期为一秒的摆锤的长度(摆锤的一个周期是它摆起又落回到原位的时间)当时人们已经知道同一个摆锤在不同的地方会有不同的摆动周期,所以这样的一个定义需要为标准摆锤指定一个特定地点。

在1790年当时Autun的主教Talleyrand,向国民委员会递交了一份关于法国度量衡现状的报告,他在该报告中建议以巴黎所在纬度——北纬45度处的秒摆的长度作为新的长度单位他还建议巴黎的法国科学院联合伦敦的英国皇家科学院一起定义一个新的单位。国民委员会、还有随后的路易十六都支持这个提案,但是后来却不了了之。

十七世纪九十年代末法国科学院把这个问题交给有史以来最杰出的一个科学委员会来处理。该委员会由拉格朗日、拉普拉斯、Borda、蒙日、Condorcet.等人组成。在科学委员会1791年3月19日提交给科学院的报告中,他们建议放弃秒摆而重新定义一个新单位:以赤道与极点的海平面距离的千万分之一为一米。

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烛焰温度问题

这一篇是将原写在银穹的一系列网志合并而成,以方便查阅。

小学时被告知:蜡烛外焰温度高,内焰温度低,当时感觉靠近炷芯的蓝色火光确实不如顶部的黄色火焰明亮耀眼,这是最直接的感性经验,很容易接受。

中学化学老师也说给试管加热时要用酒精灯外焰——因为温度高些。

高中物理课学到,光辐射波长与辐射体温度成反比,310K的人体就只能辐射红外线。也就是说,在可见光范围内,温度越高,光线越蓝!(而同时化学课上所看到的颜色反应则是特征谱,不在此列)

这时问题就来了,蜡烛火焰中到底哪部分温度最高?蓝光还是黄光?总有一个错了!

烛焰烛焰

甚至某些科普性的网站对这个问题的解释也是不正确的。比如:

Color tells us about the temperature of a candle flame. The outer core of the candle flame is light blue — 1670 K (1400 °C). That is the hottest part of the flame. The color inside the flame becomes yellow, orange and finally red. The further you reach to the center of the flame, the lower the temperature will be. The red portion is around 1070 K (800 °C). The reason there is this variation in a candle’s flame color is because air convection pulls the warmer gasses upwards.

floating其中称最外侧的蓝光温度高达1400度,内部的红光为800度。这里显然将外焰认为是蓝光,但是从图中可以明显看出外焰应是黄白色区域,内焰为红色区域,蓝色并不明显、通常只存在于底部及下边缘,亮度也很暗,无法形成实际意义的外焰。
CNKI上相关的论文资料很少,只在1994年第四期的《光谱学与光谱分析》中看到“蜡烛火焰的光谱分析”一文。火苗中部与空气接触部分的温度最高,有1400度,而烛芯处仅有600度,与常识一致,可解释为外缘有充足的氧气供应,燃烧充分。底部的蓝光则是CH分子基团的特征颜色,而对燃烧过程则语焉不详,参考文献中有一本地质出版社80年代出版的《分析火焰光谱学原理》,不过我没有找到。

几个月后又在1979年第6期《科学》(科学美国人中译本)的业余科学家专栏看到了专门介绍,底部的蓝色火焰由光谱分析证实是CH和H2的特征谱,同焰色反映一样,为特定能级跃迁,不表征温度。此处的蜡烛蒸汽由于对流作用可获得充足的氧气供应,充分燃烧(直接生成二氧化碳和水)。再往上走,大部分有机蒸汽由于氧气不足只能进行不完全燃烧,发热量低,便为红光,若将此处气体用玻璃管导出焰外可直接燃烧。不完全燃烧的分解物(主要是碳粒)在上升过程中不断吸收热量达到白炽状态,一旦与空气接触将剧烈反应,于是边缘白光处温度可达摄氏1400度。

其实不仅是蜡烛,钨丝、钢铁、烟草等物质都有同样的温度颜色分布规律,在2000年10月《金属制品》杂志中《观察物色判定炉温》中就引用了钢丝温度与颜色的经验对应关系。

温度/℃ 550 630 680 770 850 900 1000 1200 1400
颜色 暗褐色 褐红色 暗红色 樱红色 鲜红色 黄红色 黄色 黄白色 黄白色、亮、刺眼

我的问题就此告一段落。

后来在2005年第四期的上海版《科学》杂志上看到一则简讯,中科大齐飞教授参与的一个项目组以同步辐射光电离质谱技术进行火焰研究,这项技术可以准确地测量燃烧过程的所有中间物和自由基。他们首次观察到碳氢化合物氧化过程的中间体-烯醇(Erlenmeyer在1880年曾预言烯醇应该是碳氢化合物氧化的中间物,直到1976年才首次在气相化学反应中观察到最简单的烯醇-乙烯醇),并以“Enols Are Common Intermediates in Hydrocarbon Oxidation”为名刊登在2005年5月12日出版的《Science Express》上。看来,这一领域的工作还远未结束。

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