气象仪器的发明

我们每天都能从电台、电视台知道当天的天气情况和以后几天的天气预报，包括温度、风向和风力、雨情和雨量，有的还会告诉我们大气中的湿度。当然，这些“情报”全都来自气象台。

　　可是，你知道气家台是如何知道这些“情报”的吗？当然得靠仪器：用温度计测温度，用风速计测风速，用雨量筒测量雨量，用湿度计测湿度等。关于温度计的发明故事，我们已经作了介绍。这里，我们将谈谈其他几种气象仪器的发明故事。

　　地球上自从有了大气层，也就有了风，风伴随着人类在地球上经历了漫长的岁月——有时候微风轻拂，有时候暖风扑面，而有时候却狂风怒吼。

　　从感觉上，人们很容易知道风的大小和方向，但是，这是很粗糙的。能不能有一种测量风的仪器呢？

　　我国东汉时代科学家张衡，不仅设计制造了浑天仪和地动仪，而且他还是世界上第一个风信器的发明者呢！

　　所谓“风信器”就是用来指示风向的仪器，我们可以在一些较高的建筑物尖顶上看到它们在随风摆动。

　　当时，张衡在发明了浑天仪和地动仪以后，又对风产生了兴趣。“测天我有了浑天仪，测地我有了地动仪，而这天与地之间的风倒是一个难题。有没有办法制造一件测风的仪器呢？”张衡开始了对风的研究。

　　张衡感到，测风最主要的应该是测它的方向，“我制造的这件仪器，必须满足一个条件，就是能够随风转向，这样，将它安装在高处，抬头一看不就清清楚楚吗？”

　　对张衡来说，制造这样一件仪器并不是难事，不久他就制成了，并把它安在5丈高的杆顶上。

　　“嗨，这是什么玩意儿？大家快来看呀！”人们纷纷前来观看这个从未见过的东西。

　　只见杆顶上有一只铜铸的小鸟，鸟嘴里衔着一朵花。

　　“诸位，这是我刚刚制造成功的一件仪器，我叫它‘相风铜鸟’，这只铜鸟的头总是对着风吹来的方向，有了它，我们可以随时知道东西南北风啦！”张衡兴致勃勃地对大伙说着。

　　“你们看，这只铜鸟真的在转动了！”人们发出了啧啧赞叹声。

　　这只“相风铜鸟”又叫作“候风仪”，也就是我们现在说的风信器。同样的仪器在欧洲直到12世纪才出现，比张衡要晚1000多年呢！

　　风速怎么测呢？这可不是一件容易的事。能测风速的“风速计”直到17世纪才出现，它的发明者便是罗伯特·胡克。

　　胡克的这项发明真是绝妙！原来，它的关键是一块很轻的木板，这块木板可以自由摆动，当风吹来时，这块木板就在一个分度标尺上移动，这样就记录下了风的速度。胡克的这项发明大约在17世纪末期。到了18世纪，风速计又有了许多新的设计。例如，皮克林在胡克的基础上增加了一个抓钩，它可以防止木板在被风吹起后摆回去，这样就能观测到某段时间内的最大风力了。法国一位博学的教士于埃在一篇文章中记载了U形风速计。U形管中有一些液体，当风吹人U形管的一个弯肢后，风的压力使一边的液体表面下降，另一边则上升，风力便由这两边的高度之差来表示。

　　以后，风速计虽然有了很大的改进，但是其基本原理却是相同的。现在，在气象台的观测场地上，10多米高的测风仪总是“高高在上”，它既能测风向，又能测风速，日日夜夜为我们提供着最新的风向风速资料。

　　下雨是最常见的一种自然现象。人们如何了解下雨的程度呢？仅仅用形容词来形容，显然是不够的，还得发明一种仪器来进行测量。雨量计便应运而生了，它是一种计量雨水量的仪器。

　　在雨量计的历史上，我们中国是走在前列的。早在宋代，数学家秦九韶，在他撰写的《数书九章》中，就有一道关于计算雨量计容积的题目。

　　到了公元 1424年，明永乐末年，当时的政府为了掌握全国各地的旱涝灾情，同时也为了测算农业的收成，责成有关人员统一制定了一种雨量计。发到全国各地，命令各州、县将记录到的降雨量向政府报告。其实，这种雨量计十分简陋，和我们今天常见到的量筒差不多，上面标有刻度，可以清楚地知道某一段时间内某一地区下了多大的雨。因为有了统一的标准，当时的政府就可以了解全国各地的下雨情况。如今，在北京文献馆内还存有北京、江宁、苏州、杭州等地的晴雨录，这可算是世界上最早的气候记录了。

　　在欧洲，雨量计的发明则要晚得多。英国最早的测量降雨量的仪器是克里斯多夫·雷恩爵士于1662年设计的。到了1695年，发明风速计的胡克也设计了一种雨量计，它是一个玻璃漏斗，安装在一个木架上，漏斗的下端伸进一个较大的容器内。在漏斗上，有2根绳子将它牢牢地固定在木架上，以防被风吹动。所收集的雨水用秤称量就可以了。

　　与现代雨量计相像的仪器是1722年由英国人霍斯利制造的，他用一个漏斗把雨水收集在一个玻璃量筒里，这样不就省去了称量雨水的麻烦了吗？

　　后来，经过人们的改进，又出现了许多种类的雨量计，而且向自动记录的方向发展。其中最常用的便是虹吸管雨量计：它有一个承雨筒，里面装一个浮筒，浮筒会随着承雨筒中水面的升降而上下移动；同时，它还有一个装时钟的钟筒，当时钟走动时，钟筒就会转动起来。这样，钟筒外面的一张自记纸上就会记录下一条降雨量曲线，雨量大，线条就上升，雨量小，它就下降。

　　有了这种仪器，人们就可以很方便地从这些曲线上了解任何一段时间的总雨量和其他数据了。

　　我们常常用“冷热干湿”4个字来说明周围大气的情况，“冷热”指的是温度，“干湿”指的便是湿度。

　　“能不能制造一种像温度计一样的制造一种湿度计呢？这样，一看上面的刻度不就知道大气干湿的程度了吗？”这一想法最早是德国人兰贝特在1774年前后提出来的，但是兰贝特对此却无能为力。

　　兰贝特的想法却引起了另一个叫布兰德的德国人的注意，“这倒是个好主意！湿度计，一旦发明出来，肯定会受人欢迎的。”

　　于是，布兰德一头钻进了干和湿的世界里，每遇到一种东西，他首先就要看一看这种东西在干和湿的情况下会有什么变化。

　　功夫不负有心人。布兰德终于找到了一种东西，可以用来表示干和湿的变化。说来你也许不相信，这种东西便是最最普通的绳子。

　　布兰德发现，同样一根绳子，弄湿了要比干燥时略微长一点点，利用这种变化不就可以制造湿度计了吗？于是，世界上最早的湿度计诞生了，它其实就是一根下系重物、上端固定的绳子，绳子背后标了一些刻度，可以表示它长度的变化。我们可以想象，这种绳子湿度计的精确度是很小的，只有在大气干湿变化十分悬殊时，它才会有一点点变化。

　　真正具有应用价值的湿度计是由瑞士科学家索绪尔发明的，时间是18世纪70年代。

　　索绪尔对地质学、气象学和植物学具有浓厚的兴趣。他长期从事着阿尔卑斯山的科学研究，是冰川研究的先驱者之一，在他的一生中，曾多次登上了阿尔卑斯山，并将他的所见所闻都记录到了《阿尔卑斯山旅行记》一书中。

　　在研究阿尔卑斯山及其冰川的形成过程中，自然离不开对气候的研究。除了温度之外，湿度成了一个主要问题。当时，温度计已经达到一定水平，但是湿度计却还不如人意。

　　“要是有一种像温度计那样的湿度计就好了，我可以随身携带，测量阿尔卑斯山上各处的湿度了，”索绪尔在撰写《阿尔卑斯山旅行记》一书时，常常闪出这样的念头，“我来设计制造湿度计，人家不会说我是越俎代庖吧！”

　　于是，他开始了湿度计的研制。他首先去图书馆翻阅了所有关于湿度计的论文资料，发现有人用野燕麦芒来制造湿度计，有人用羊肠线来制造湿度计，还有人索性用一根绳子来制造湿度计——周围空气的干湿变化会使绳子的长短相应发生变化……然而，所有这些材料制造的湿度计都不理想。

　　“有没有可能找到一种更合适的材料来制造湿度计呢？”索绪尔开始了新的探索。

　　他把自己能收集到的材料都进行了干湿度方面的测试，希望找到一种在干和湿时长度发生较明显变化的材料。

　　索绪尔对湿度计的研制并不顺利，他遇到了种种困难而进展缓慢，而且他还要外出去阿尔卑斯山勘探。

　　1775年的某一天，索绪尔对他妻子梳下的一堆长发发生了兴趣。

　　“哎，我怎么就没有想到用头发试一试呢？”

　　索绪尔小心翼翼地挑选了几根较长的头发进行了干湿研究。他发现，一根绷紧的头发在受潮时伸长，干燥时缩短，这种长度的变化可达四十分之一左右。

　　“这种湿度计不妨称‘毛发湿度计’吧！”

　　索绪尔首先设计的一种毛发湿度计，毛发的下端由螺丝夹住，上端则夹在一个圆筒上，毛发的伸缩会使圆筒旋转，从而带动一个指针转动。

　　索绪尔发现，这种毛发湿度计太脆弱了，外出考察携带很不安全。因此，他又设计了第二种毛发湿度计，这种新的湿度计虽然不及第一种灵敏，但却便于携带。

　　在这种湿度计上有一片金属制成的扇形指针，边上有2条槽，一条槽放毛发，另一条槽为丝线，当毛发长度发生变化时，指针便会显示出来。

　　在索绪尔之后，又出现了其他类型的湿度计。例如，利用木板吸湿变宽性质制成的“木板湿度计”，类似的还有“鲸骨湿度计”，另外还有利用某些材料吸湿后重量变化进行测量的“海绵湿度计’”、“岩石湿度计”等。

　　以后，人们又相继发明了干湿球湿度计、电阻式湿度计、红外线吸收式湿度计等，为现代科学技术的发展做出了积极的贡献。

　　给大气测测压力

　　为什么人们登上高山时会出现头晕、心跳、呼吸急促的症状？原来，这是大气压力变化的缘故。由于平地上大气压力较大，空气中氧的压力比血液中的高，所以氧就往人体动脉里渗，再通过血液循环带往全身；高山上由于大气压力减小，空气中的氧气少，动脉血液中氧的压力比外界高，氧气便很难进入人体。通常，人到了海拔6000米左右的高原地区就会出现这些不舒服的症状了。

　　当然，平地和高山上大气压力的不同是通过一种仪器测量出来的，这就是气压计，气压计上的指针可以告诉我们此时此地大气的压力究竟有多大。通过测量大气压力的变化，我们可以预测天气会有怎样的变化等。

　　那么，我们是如何知道自己生活在有压力的大气中的呢？这还得从一次十分有名的实验说起。

　　故事发生在1654年的德国马德堡市。马德堡市市长叫盖里克，他是一位业余科学爱好者，这一年，他进行了一项非常壮观的实验——马德堡半球实验。

　　那天，春日融融，绿草如茵。远处山坡下人山人海，近处草地上热闹非凡，人们又是跳起德国传统的舞蹈，又是扬鞭策马举行赛马表演。

　　不一会儿，盖里克市长也来了，他容光焕发地向大家宣布：

　　“诸位，今天，我将为大家表演一个科学游戏！”

　　说着，他双手将2个铁制的半球高高举起。

　　“等一会儿，我将把这两个半球扣在一起，不用任何东西焊接，然后把里面的空气抽掉，看看谁有能力再把它们分开来。”

　　接着，盖里克“啪”地一声就把这两个半球合上了，他的助手递上了一个小唧筒，三下两下就将里面的空气抽光了。然后，盖里克将两根又粗又结实的绳子系在半球两边的环上。“现在，一切都准备好了，有谁想试一试自己的力气，把这两个半球拉开？”盖里克大声问道。

　　从人群中走出两个彪形大汉，他们自告奋勇地接过市长手中的绳子，一边一个地拔起了河。只见他俩脸涨得通红，但是那两个半球硬是纹丝不动。他们只好认输，垂头丧气地退下阵来。

　　人群一片啧啧声。

　　盖里克又将两边“拔河”的人数增加到2个、3个，可是，铁球还是纹丝不动。

　　盖里克又牵来两匹马，一边套上1匹，两个驭手挥起鞭子，两匹马仰天一声长嘶，4蹄扣地向两边猛拉，可那球仍是依然如故。盖里克又将两边再各加1匹，一会儿又加1匹，这样一直各加到7匹，还是不见动静。

　　盖里克又命令两边再各加1匹，驭手的马鞭霍霍，马嘶啸啸，尘土飞扬，人群也沸腾了起来，加油声此起彼伏……

　　只听“嘭”的一声，铁球终于裂成了两半，两边的8匹骏马各带着半个铁球一下子冲出好远。

　　这就是闻名于世的马德堡半球实验。

　　原来，这是大气压力捣的鬼。盖里克是如何知道大气压力的呢？

　　据说，有一天，盖里克让手下的工人用唧筒抽酒桶里的水，在抽的时候唧筒脱落了，工人用布条重新绑好，或许是由于堵塞过严，使桶口密封了，结果把空气也抽光了，只听得桶内一片沸腾的噪声。

　　盖里克得知这件事情以后，就以铜球代替木桶，让工人也用唧筒抽气。工人越抽越费劲，最后只听到“嘭”的一声，铜球瘪了。

　　从此，盖里克迷上了这种实验，并且开始对它进行了许多研究。马德堡半球的试验就是在这个基础上进行的。

　　其实，早在马德堡半球实验之前，就有人对大气压力进行研究了。

　　早在1640年前后，有人告诉意大利著名科学家伽利略，说抽水机从深井里抽水最多不会高过10米。当时，伽利略年事已高，而且双目失明，无法亲自进行实验了，于是，他叮嘱自己的学生托里拆利，好好研究这个问题。1642年伽利略死后，托里拆利决心实践自己在老师面前的诺言。

　　托里拆利打算用水银来进行实验——比水的密度大13．6倍的水银究竟可以提到多少高度呢？

　　他让助手维维安尼拿来一根长约1米的玻璃管，一端开口，灌满水银，并用手指封住开口，再倒立在水银槽中。当托里拆利放开手指以后，他们发现管顶的水银面降到距离槽中水银面76厘米的高处停住了。接着，他们又用其他形状的玻璃管做实验，结果总是相同的——水银的高度总是76厘米不变。

　　托里拆利认为，在玻璃管水银上方的空间内出现了真空，就是说那里几乎没有任何东西，后人便称其为“托里拆利真空”。这根水银柱管就成了最早的气压计。

　　是什么力量使水银柱上升到76厘米高度的呢？托里拆利猜想，水银柱是被水银面上的大气压力托起的，并且，他把水银柱高度的微小变动看作是大气压的变化而引起的。但是，托里拆利在1647年尚未证实这个假说时就逝世了，对于它的证实，只能留给后人去进行了。

　　托里拆利做的真空实验的消息不胫而走，人们竞相演示着这个实验。

　　消息传到了法国，科学家帕斯卡为了检验托里拆利的说法，在巴黎的教堂顶上做同样的实验，他希望能够测出高处和地面上气压计水银高度的差别，但是，这个实验失败了，因为巴黎市内的建筑不足以得到明显的结果。

　　怎么办？

　　帕斯卡想到山顶上去进行实验。但是，帕斯卡是个半残人，他自己无法爬山，只能求助于他的内弟佩利尔。

　　1647年11月的一天夜里，帕斯卡在考虑了很久以后，提笔给佩利尔写信：

　　“亲爱的佩利尔，如果真的出现了山顶上水银比山脚下升得低，那么必然会得出这样的结论，空气的重量和压力是造成水银悬挂的唯一原因，因为我们可以肯定，山脚下比山顶上有更多的空气压下来。”

　　经过周密的思考，这个实验在第二年9月的一天进行了。佩利尔将气压计带到了多姆山顶上去，观测气压计水银柱高度有什么变化。果然，实验的结果证实了托里拆利的假说。

　　佩利尔在返回的路上，又作了分段观测，证明水银升高与高度降低成正比。当他回到出发点时，得知留在山下的另一支气压计在他离开的一段时间内水银柱高度并没有发生变化。

　　第二天，佩利尔又在克莱蒙最高的塔脚下和塔顶上重复了他的观测，虽然效果并不明显，但是结果却是肯定的。

　　这个结果使帕斯卡感到非常高兴，他又进一步做了很多实验，研究气压计水银柱高度和气候的关系，他认为，这些知识对农民和旅行家很有用处，因为这可以知道气候的现状以及即将发生的变化。

　　与此同时，还有人用鲤鱼肚里的鱼鳔做了一个实验，他把鱼鳔里的空气尽可能挤干净，然后再把开口扎紧，放到托里拆利真空区内，鱼鳔在里面膨胀了起来。如果在大气压下将鱼鳔充满空气，一旦它到了真空区域，就会膨胀得更大。

　　帕斯卡的实验使人们对气压有了更深的认识。

　　德国马德堡市市长盖里克除了那次惊心动魄的马德堡半球实验以外，还制造过一种水气压计呢！

　　当时，盖里克住在一幢四层楼的公寓里，上面用的水全靠下面提上去。有人为了图方便，设计制造了一个装置，打算通过一个抽成真空的容器，利用空吸作用，将水从底层“吸”到楼上去，这个装置有点类似我们今天使用的眼药水滴管，也有点类似自来水笔的笔胆。

　　然而，怪事发生了！

　　这个装置只能将水吸到盖里克所住公寓的第三层，第四层是无论如何也吸不上去了。

　　盖里克知道，这又是大气压在作祟。

　　为了精确地知道水究竟能升到什么高度，盖里克设计制造了一套设备，它由4根黄铜管首尾相连组成一个垂直的长管，上端为一个玻璃容器，下端为一个旋塞，旋塞浸在一个盛水的容器中。开始时，旋塞紧闭，管子全部充满水，玻璃容器也充满水，然后打开旋塞，管子中的水便下沉到一定的高度，这个高度可以从玻璃容器的边上观测，由浮在水面上的一个木头小人伸出手臂指点一个带刻度的标尺而作出指示。这就是盖里克发明的水气压计。

　　盖里克将水的上升归因于大气压力以及因气压变化而引起的水面高度的日常变动。他对这种变动作了长期研究，试图把这种变动同天气变化联系起来。果然，他成功地根据气压的突然下降预报了1660年的一次严重风暴。

　　托里拆利的气压计是最原始的，带有水银槽，很不方便。如何才能使气压计小巧玲珑，便于携带，而且测量也更精确呢？

　　开始，有人将托里拆利气压计改成虹吸气压计，它省去了水银槽，管子的开端弯过2个直角，利用封闭管和开口管中水银的液面高低之差来测量大气压。

　　1665年，阿蒙顿发明了一种气压计，它朝着封闭一端的方向狭窄下去，适合于海上使用；后来，到了1688年，阿蒙顿又发明了另一种复式气压计，气压由几个水银柱来平衡，这样可以缩短气压计的高度。

　　还有人将气压计的管子制成倾斜上升或者螺旋上升，使得大气压的微小变化在管子内引起较大的水银柱位移。

　　最著名的要数胡克轮式气压计了。它由一个泡、一根管子、一根U形虹吸管以及一个带刻度的圆环组成，上面有一根指针，有点像钟表上的盘一样。利用这种奇特的装置，放在U形虹吸管内的水银面高度如果有任何微小的变化，那么，就会由小指针的旋转运动明显表示出来。后来，胡克又想了一个方法，用更加简便的结构制造了轮式气压计。

　　为了更精确地读出水银面的高度，有人甚至将显微镜和测微计都用到了气压计上。今天，随着科学技术的日益发展，气压计的精度越来越高，外观也越来越漂亮，但是，其原理还是与原始气压计相同，一种为“水银气压计”，另一种为“空盒气压计”。

　　指针式标度盘装置

　　我国最早的指南针还没有使用针状的指针。当时是用形如汤匙、鱼甚至有时用甲鱼状的物品作为“指针”。此后，指针的设计和采用是一次巧妙的改进。有了指针和环绕在周围的标度盘，就使精确度大大地提高了。我们可以说，就是在这一发展阶段上，中国人开创了世界上第一代指针式标度盘装置。这种装置对现代科学来说仍是极其重要的。

　　在一些计算装置中磁针也被用做指针。在我国，人们在计算装置中使用磁针的历史最迟也可追溯到公元570年。该计算装置像是一种算盘，不过它是基于指针式罗盘读数原理制成的。在一部书名为《数术记遗》的古书中就对它进行了描述。书中附有甄鸾的评注。甄鸾写道：

　　“在这种计算中，其位数以针锋所指来定。第一位数为‘离’位，即指向正南；第二位数为 ‘坤’，乃西南；第三位数为 ‘兑’，乃正西……”

　　甄鸾还提到，对某个数字进行乘法运算时，则由针的尖端表示出其位置；而对某个数字做除法运算时，则由针的尾部表示出其位置（针的尖端和尾部形状不同）。

　　在我国，人们至少于公元6世纪就已应用指针式标度盘装置，而且很可能早在公元3世纪就已开始。

　　中国的指针式标度盘装置结构之精细复杂令人惊奇。而其中最精巧的，无疑地要首推堪舆家的堪舆罗盘了。其中有些标度盘装置竟由多达40个同心圆组成。在每个不同的同心圆上都标有一套不同的数字以测量各种情况，并可按要求读出数字。物理学仪器设备

　　威尔逊云室

　　剑桥大学的年轻的苏格兰研究生威尔逊，决定用1894年暑期的时间帮助尼维斯山上的气象台解决难题。他回忆说：“当阳光照耀在山顶周围的云层上时，出现了一种非常奇妙的光学现象，使我十分感兴趣；我希望能在实验室里模拟这种光学现象。”于是在1895年，他开始了一系列的实验，企图用人工的方法产生雾、云和雨。

　　人们早就知道，空气的剧烈膨胀会使空气冷却，如果空气中的水蒸汽已饱和，水蒸汽就会凝结。于是他开始设计一种仪器，把空气装在一个圆筒形的玻璃室里，玻璃室的底部是一个活塞，活塞可以骤然下拉。当玻璃室里的空气膨胀时，空气就变冷，就有水珠形成。但是要做到这一点，还需要有某种物质微粒，使水蒸汽能围绕着这个核凝结成水珠。在一般情况下，这种核是由尘埃的微粒来充当的。在威尔逊尚未从事这个题目的研究之前，科学实验停留在这样一个水平上：没有尘埃，除了仪器壁以外的地方就没有凝结现象发生。但是威尔逊这时指出，即使通过反复的凝结除掉了灰尘，如果空气的膨胀超过了一定的限度，仍然会出现“云”。也许空气中有某种其他的“核”，可以充当这种凝结的中心。这种凝结跟围绕着尘埃微粒进行的凝结不一样，当核沉落到底部时，凝结现象并不消失。他写道，这种核似乎“在任何时候的存在量都极少，一旦被除去，立刻就有同类的核补充上来”。这些核到底是什么东西呢？

　　如果空气暴露在当时新发现的X射线下，出现的核似乎要多一些。他很快就发现，这些核一定是离子——由于失掉了一个电子或获得了一个额外电于而带上了正电荷或负电荷的原子。在尔后的若干年中，他主要是研究雷电，但是由于受到卢瑟福等同事对在放射性中产生的α射线和β射线的研究工作的影响，他于1910年又转而研究人工气候。它们能跟X射线产生同样的效应吗？经过很长一段时间的研究之后，他制造出了一些基于旧原理的新设备。新的云室能非常理想地显示出α射线和β射线在穿过云室时产生离子的效应。当水气围绕着每一个离子进行凝结的时候，能清楚地看到这此粒子的轨迹，而且能拍下来，看见照片上的粒子拖着蒸汽尾巴。

　　以前，α粒子和β粒子的存在必须从它们的大量行为来推断，现在人们可以追踪单个的粒子，就像能根据马蹄印追踪马一样，十分清楚。更妙的地方是，像威尔逊在1912年指出的那样，这些照片似乎证实了卢瑟福关于这些粒子的真正性质的解释，还证实了他在这以后提出的关于原一子的理论。事实上，威尔逊云室在第一次世界大战后的若干年内，是研究亚原子粒子的物理学家手中最好的工具。科学家们拍了一些反映核转变和核裂变的结果的照片；宇宙射线和正电子都是用云室首次观察到的。因此我们说，威尔逊在两三个机械师的帮助下提供了一种变革基础科学的手段。

　　回旋加速器

　　科学家们在发现了镭之后的最初40年内对原子的研究，宛如侦察一个谁也没有看见过的罪犯的行踪，因为没有倍数足够大的显微镜来观察原子，更不用说观察比原子更小的核了。因此科学家们不得不像侦探一样工作：被“通缉的罪犯”干了这样和那样的事，留下了印迹，使专家们能够想像他像个什么样子，在某种情况下会干什么事情。只有实验工作才能证明科学家们的理论是否正确。

　　卢瑟福早在1919年就布置下了一个这样的圈套，采用的办法是用氦核

　　（由两个质子和两个中子组成）轰击氮电子（山七个质产和七个中子组成），把若干氮原子转变成了氧原子。在查德威克于1932年发现了中子（事实证明它是一种极好的“炮弹”）之后，科学家们在这个新的鼓舞人心的领域做了大量的工作。1931年，加利福尼亚大学造了一台大型的机器，即劳伦斯教授设计的“回旋加速器”。这种机器是沿环形轨道加速原子核的粒子。回旋加速器的原理就像小孩儿打秋千一样，其运转由于不断的推动而加速。在粒子加速器中，粒子在两个强的电磁极之间通过，电磁极给粒子施加“推力”，使其达到最高速度。这就意味着增加能量 （以电子伏为单位计算）。最后，当粒子束达到理想的能量时，就用磁场使其偏折，轰击靶子。

　　从入射粒子跟靶材料中的原子核碰撞的情况，可以知道关于物质的基本

　　“建筑材料”的许多情况。由射入的“炮弹”从“靶”原子里打出来的亚原子粒子流，可以导入一个泡沫室；导入泡沫室的粒子的轨迹——液态氢里的极微小的泡沫线——可以拍成照片以供分析。速度、质量、电荷和其他特性都能从泡沫室里的轨迹照片看出来，使“侦探”能对“通缉的罪犯”进行正确的描述。

　　劳伦斯在1930年制造的第一台回旋加速器，是一台精密的小型设备，直径只有4英寸半，最多能把粒子加速到125万电子伏。这听起来也许已经很了不起了，但是从那以来，加速器造得越来越大，在日内瓦附近的法瑞边界建造了一台最大的加速器，直径达3英里，指望它能发出3千万万电子伏的脉冲。因此，要研究最小的实体，必须使用倍数最大的“显微镜”。

　　核研究还在继续进行，目的是为了寻找关于原子结构的一些尚未解决的问题的答案。在研究过程中又发现了一些奇怪的粒于（它们的“奇怪性”能准确地测出），它们的行为和作用尚未得到充分说明。但是，没有一种粒子能看成是构成原子核、原子和宇宙的最小的不可再分的单位。在探索物质奥秘的这个过程中，回旋加速器和从其演变出来的其他仪器继续起着重要的作用。