互动科普

每个星期天的早上，我都要沿着世界上最灵敏的重力计走上长两公里的一段路。太阳和月球作用于我的身体的引力仅相当于地球引力的百万分之几，然而这样微小的力作用在太平洋上却能推动海平面升高，掀起阵阵波涛拍打我散步时走过的路径。但是在实验室内分离出这些微弱的力即使对专业仪器来说也是一件艰难的任务。因此，当我听说得克萨斯州奥斯丁的Roger Baker只花了大约l百美元就制出了一台可以通过引力跟踪太阳和月亮位置的仪器时，真是惊喜交加。

我最喜爱的一句科学格格言，昨天的发现今天就被奉为标准，明天则成了捣乱的噪声。这句格言对重力测量尤其适用。去年我在本专栏介绍了Baker的另一项发明，可以检测出地球磁场的微脉动(见《科学》1999年4月号的“业余科学家”专栏)。但就连这些微小的磁效应也将淹没我们现在试图测量的重力。事实，消除所有这些杂散影响是本项测验中最具有挑战性的问题，是否成功全凭经验。只有经验丰富的设计师或发明家才会去尝试它。

存Baker的装置中，一块小而强的磁体极为灵敏地悬浮两块永久磁体之间。一个巧妙的光学器件探测重力变化、地震活动、热膨胀、使劲跺脚以及诸如此类的因素引起的微小运动。一控制电路通过微调流过一块电磁铁的电流来抵消这一运动。因此这一电流的变化就反映作用于悬浮磁体上的力。悬浮磁体加了重物，使其对高频运动不敏感。但它却能捕捉到来自地震的缓慢振荡的信号(其振荡频率为几十赫兹)以及当地球绕轴转动时月亮位置的变化。事实上，Baker原先设计这台仪器是打算用它来测量地震引起的垂直运动。

光学探测器在很大程度上决定了本仪器的灵敏度。为了探测悬浮磁体的位罱，它使用一个不透明的标志来挡住一个发光二极管发出的部分光，使其无法射到一个几毫米外的光电晶体管上。当悬浮磁体和标志移动时，光信号迅速变化。纳米数量级上的位置变化就将产生足以识别出的作用。

Radio Shack公司出售5个一套的陶瓷磁体，每个售价2美元(零件号64  l888)。你需要两套总计l0个环形磁体。把其中6个磁体分为两组，每组3个。将这3个磁体迭起来，并用环氧树-脂胶粘剂将其固定在螺栓上。第七个磁体作为悬浮磁体，剩下的3个磁体没有用处。Baker把悬浮磁体固定在一块钢制剃刀片上，以防其向侧面移动。剃刀片的刀刃抵在仪器支座侧面的一块黄铜片上。两块放在黄铜片后面的稀土磁体(RadioShack公司零件号为64-l895)使剃刀片刀刃固定在黄铜片上。在剃刀片上抹一层油，就形成一个几乎没有摩擦力的铰链结合，它使悬浮磁体能够上下运动，但不能侧向运动。最后，Baker将一个1盎司的钓鱼用铅块装在悬浮磁体上以降低其固有频率，并安上那块小的不透明标志以探测其运动。

虽然你可以用任何一种非磁性材料来制作重力计的框架，但Baker建议最好使用窗玻璃，因为它价钱便宜，热膨胀率低，而且易于装配。他用硬质合金玻璃刀切下玻璃，使各块玻璃装配在一起而不留下空隙，然后用三角形的玻璃支架加固这一结构。他用硅酮水泥把玻璃片粘合起来。如果装配出现错误，也很容易纠正，因为各部分可以用剃刀来轻而易举地分开。

至于电磁铁，Baker用两个未用的陶瓷磁体作为引导，在其上绕出一个线圈来作成电磁铁。在一支铅笔上绕上屏蔽胶带，直至这两块磁体刚好能套在铅笔上，在磁体上再绕一些屏蔽胶带，并使它们在铅笔上相距约一个磁体的直径那么远。然后用胶带把30号漆包绝缘磁铁线(RadioShack公司零件号278—1345B)的一端粘在一块磁体的边缘上，并开始将磁铁线绕在两块磁体之间。在绕制线圈过程中要使导线保持几盎司的张力，并且不停地把24小时快干环氧树脂涂在其上。当线圈的边缘推进到距磁体的边缘约两毫米时才停止绕线。在环氧树脂固结后，将这整个结构放在烘炉内加热(烘炉热量调在低档上)，使屏蔽胶带粘结剂被熔化掉，然后把裸露的线圈分离出来。完工后的线圈约0.5厘米长，直径为2.7厘米。它的直流电阻应为10欧左右。

制作光学位置探测器时需要小心谨慎。你可以使用一个超亮的红色发光二极管(Radio Shack零件号276—066B)和一个光电晶体管(零件号276—145A)，但必须把它们的外壳去掉以使其工作元件尽可能靠近。把外壳磨到芯片的位置上，然后用细砂纸将端头磨光。使用牙膏抵在一块软木材的背面用力地磨将会收到很好的效果。用硅酮水泥将各电路元件安装进它们的框架中。然后，用毛毡尖标志笔把三块小的铝箔涂黑。用环氧树脂粘合剂小心地把两块铝箔粘在发光二极管上，使它们形成一道狭窄的水平缝。Baker说他做成的缝约半毫米宽。第三块铝箔则用来挡住光电晶体管的下半部分。这种布增强了仪器的灵敏度，因为它使信号随着标志切断从狭缝射来的狭窄光束而迅速地降为零。仪器的其余部分按照图中所示装配起来。

同几乎所有的精密仪器一样，如果Baker的重力计的温度发生变化，那么它也会产生虚假的结果。Baker通过控制重力计的温度来解决这个问题。他把这台仪器装在一个金属圆筒内，用20个50欧姆、1／2瓦的电阻器作为加热元件，使圆筒内的温度恒定地保持在比室温高10度左右的水平上。Baker用一个RadioShack公司出售的热敏电阻来探测温度。热敏电阻的输出与一个可调的设定电压比较，而该电压值则由一个电位计决定。每当热敏电阻信号低于设定的电压值时，一个电路就使电流流过加热电阻，而一旦信号上升到超过设定电压值，电流就被关断。这套装置虽然简单，却能使温度保持恒定，误差不超过一度的百分之几。

金属圆筒还起着屏蔽作用，使重力计免受地球磁场的影响。这个金属圆筒是一段直径为3英寸左右、长8英寸的铁制水管，水管外包有数层用镍铁高导磁率合金或坡莫合金做成的薄箔片，其间插有一些用纸板之类的东西做的非磁性材料片。你可以通过业余科学家协会购得镍铁高导磁率合金箔片，每平方英尺30美元。这个屏蔽层必须伸出到超过重力计的顶端和底端至少两个水管直径以外，以削弱通过两端开口进入水管内的磁场。

为了监测作用在重力计上的力，必须把它同一台计算机连接起来。Baker使用的是W价DAQ模数转换器，由Windows作系统运行。Win DAQ／Lite的售价为100美元左右。Macintosh计算机的爱好者们应当检查Vernier软件公司的串行盒接口(Serial Box Interface)。当然也可以采用其它的方案。对于本文中所述的这种场合，计算机应当像图表记录仪那样显示数据，把线圈上的电压值随时间变化的情况显示出来。

把重力计垂直地安装在一个底座上，再把底座固定在一个距车流和人流尽可能远的混凝土地基上。接通电源，让加热器升温。从仪器顶端取下隔离层，调节使上部磁体上升或下降的螺钉，同时注意观察输出，以找出光电晶体管的信号刚好导通的位置。这是一个极其棘手的操作。在这一个位置上，微小的运动就会使信号完全接通或关断。悬浮磁体将以大约1秒的频率自然地上下跳动，这在示波器上可以明显观察到。将隔离层放回仪器顶部。

在进行微调时，把一块陶瓷磁体放在仪器顶上并四处移动，直至光电晶体管的信号刚好变微弱。现在这台仪器就将进行几周的记录工作，只需偶尔对外面这块磁体作一下调节以保持仪器的高灵敏度。如果你真的观察到地外引力，你应当看到一个与当地的潮汐同步的缓慢变化的正弦波形。如果你住在远离海岸的地方，那么对地外引力的探测就将更加明确无误，因为此时海滩的隆起之类的次级作用将不会对信号产生影响。雄心勃勃的引力探测者可以对数据作Fourier变换，以寻找周期为24小时和28天的过剩功率。