为了纪念17年前这位诺贝尔奖金获得者对揭开“挑战者”号失事之谜所作的独特贡献,让我们重温——

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费曼(Richard P. Feynman,1918~1988)是生于美国纽约的犹太人,1942到1945年二次大战期间一直在著名的美国洛斯阿拉莫斯实验室参加研制第一颗原子弹。大战结束后,他先后在康涅尔大学、加州理工学院担任理论物理学教授。其间因在量子电动力学方面所做的对基本粒子物理学产生深远影响的基础理论研究而与美国的施温格(Julian Seymour Schwinger,1918- ),日本的朝永振一郎(1906-1979)分享1965年的诺贝尔物理奖。

参加调查“挑战者号”航天飞机的失事原因

1986年1月28日,美国“挑战者号”航天飞机在发射升空中不幸机毁人亡,人们在电视上看到它爆炸时一般都认为问题是出在引擎上。几天后,当时还在加州理工学院教计算机课的费曼教授被美国宇航局(NASA)邀去参加失事原因调查委员会,这是一个总统特别调查团。

当时在加州理工学院有个火箭推进器实验室(JPL),它是从属于NASA的,费曼教授动身前先去那里和工程师们交谈。他们以极度概括而又相当透彻的解说给费曼介绍了航天飞机各个部件的情况并且提供了调查事故原因的若干线索,这一天使他感到收效甚大,非常高兴。对比之下,在后来调查委员会的那些日子中,NASA的那套用公文旅行来解决问题以及一些自欺欺人的做法,使他极其厌烦。

幸好费曼遇上了库提那将军,他领导事故分析组,主动介绍了过去军方是怎样调查火箭发射失败等事故的:他们先找出存在的问题,然后用适当的方法逐一寻找答案。也就是这位库提那将军提醒了费曼,他说:“航天飞机起飞的那天是佛罗里达罕见的冷天,大约是摄氏零下三、四度。以往的发射,最冷的一天也不过是摄氏十二度,你是个大教授,请问,冷冻对于O-环有什么影响?”这一问,使费曼不禁茅塞顿开,他几乎要叫起来“太对了!”。他曾注意到在推进器上有一个泄漏测试孔,它正好在两个O-环之间,如果它没有严密闭合,而第一个O-环又不能完全起作用,灾难的事故就必然发生。由于航天飞机上的空隙是个变量,它因气体燃烧而膨胀,因此必须使O-环也以极快的速度随着膨胀才能保持密封。当航天飞机发射时,产生空隙的时间为几十分之一秒,所以O-环材料的韧性和膨胀性就非常关键。其实,发现存在O-环的这种问题已久,工程师们早就肯定低温会使泄漏加剧,也曾警告过NASA,如果温度在摄氏12度以下,飞行计划就该取消。照片显示,这次航天飞机离开发射台之前冒黑烟的地方正是泄漏测试孔的部位。

费曼认为低温会使O-环僵硬而不能膨胀;从这一线索开始后来的跟踪研究,终于解开了“挑战者号”爆炸之谜。

冰水实验

费曼甩开了层层叠叠的批文和数据资料,他要的是材料在发射时千分之一秒的瞬间反应。而这必须靠他自己做实验。

那天,他回到旅馆后马上就去吃饭,当餐桌上的一杯冰水突然映入他的眼帘时,他顿时就萌发了要在明天会议上做一个公开演示——“冰水实验”的念头。

费曼以为在会议室里冰水是随手可得的,他又找到了O-环材料样品的临时连接杆模型上的两块密封材料样品。第二天一早,他在赴会的途中去商店买了两把螺丝刀、一把尖嘴钳和一个小C-形钳。这样,演示实验的准备便就绪了。

会议上,主管穆勒先生用了一大堆奇怪的专业术语和缩写语报告了O-环的情况,费曼认为这就是典型的NASA方法,大概谁都不会听懂!偏偏这天会议上一反往常,没有冰水。费曼向工作人员屡次示意,冰水还是迟迟不来。后来见一位小姐竟然托着一大盘冰水进来;原来工作人员还以为要给每人送一杯冰水呢!

当模型材料在委员之间传观时,费曼教授向穆勒先生发话:

费:“在发射时,震动会使连接部件都控动一些,对吗?”

穆:“是的,先生。”

费:“在连接部件里边,O-环理应膨胀一点,这样才能密封好,对吗?”

穆:“是的,先生。在正常情况下,它们应当和连接的凸部和凹部紧紧相贴而且被压缩二万分之一英寸。”

费:“为什么我们不能把O-环拿出来呢?”

穆:“那样高压气体就会从连接部漏出来。”

费:“因此,O-环必须用橡胶一类的可膨胀材料而不能用铅那样的不可膨胀材料,对吗?”

穆:“是的,先生。”

费曼终于中止了插话,他直等到穆勒先生展示图示和幻灯片时才按下话筒按钮开始实验演示:他用C-形钳把O-环压缩后放在冰水里,接着又把它从冰水里拿出来举在手里,把C-形钳松开。结果发现,当C-形钳松开后O-环材料没有恢复原形。

这就表明,O-环材料在几秒钟时间的低温影响中失去了膨胀性。

这真有点戏剧性!这位知名的理论物理学家、一位诺贝尔奖得主竟然用一个简单得令人吃惊的实验就把事故起因的谜团给揭开了,这不能不使有些人感到难堪!

不过,当晚的电视以及次日的报纸还是都抓到了重点,惊叹这个简单的实验演示把事故的原因解释得完全一清二楚了!

费曼风格

费曼在生活、工作中满腔热情,与人真诚相待,不陷世俗,勇于创新;在科学探索中他思维敏锐,又能勤于思考;追求真理且大胆无畏。在教学上他也是一名出类拔萃的教师,特别是他拥有非凡的深入浅出的才能,他能给非专业的听众讲解高深的物理内容而使大家信服。

费曼十分欣赏历史上的一些能出奇制胜的物理学家,他们以简单得如“一、二、三”一般的方法就解决了许多人使出浑身解数都不能解决的问题。他自己研究物理时也喜欢采取物理模型化和图像化的方法而不一味追求高深数学的表现形式。基本粒子物理学中的“费曼图形”就是由他首先提出的(1949年)一种用图形来代表物理过程的创新方法。他在平时的教学中喜欢利用一些身边的事物和事例生动说明物理的原理或物理过程,使听者着迷。费曼教授在加州理工学院给一年级上过基础物理课,他所编著的讲义《费曼物理学讲义》具有它特有的风格,风靡世界,出版一年后得到美国物理学教师协会的褒奖。1973年诺贝尔物理奖得主之一贾埃弗(I. Giaever)甚至认为该书和费曼教授本人对他一生的造就影响最大。

费曼得了胃癌还在继续从事教学工作。他在完成调查“挑战者号”失事原因之后,又经历了第三、第四次手术以及以后的化疗和放疗等痛苦。当他在加州理工大学上完最后一堂课后的两个星期,1988年2月15日终于结束了与癌症十年之久的抗争,与世长逝。

今年2月1日,美国“哥伦比亚号”航天飞机又遇大难,据说主燃料箱上——片隔热泡沫塑料的脱落击中了航天飞机的左翼。一个由军方领导的调查事故原因的小组已经展开调查。NASA的一位主管宣称这是一次“艰辛的历程",真正的事故原因也许需要几周、几月,甚至几年才能弄清。

“挑战者号”失事已过去17年了,见到此番情景,禁不住更加缅怀起费曼教授和他演示的“冰水实验”,故撰写此文作为纪念。