老师,这太胡闹了。让他拿激光笔在光学平台上乱照,万一杂散光打进了我们的雪崩光电二极管里,把探测器烧了怎么办?”
陆知行没有立即叫停,似乎想要再听听江临怎么说。
江临静静地站在原地,没有反驳,也没有表现出任何被名校博士轻视后的急躁、委屈或愤怒,只是平静地讲述自己的方案。
不可无否认,这个方案在实验规程上几乎无可挑剔。
非侵入式,极低成本,没有任何损坏核心设备的风险。
陆知行在脑海中快速评估了这个方案的风险收益比。
一份钟后,他做出了决定。
“尹航,你去门口那个杂物箱里,找一片切割报废的硅片过来。孟澈,上去拿一支准直激光笔。”
尹航愣在了原地,嘴巴微张:“陆导,您真的要陪着他在这里过家家?”
“你们已经卡了三天了。”陆知行打断了他,声音严厉得像是在训斥本科生,“既然最前沿的软件算法和最顶级的电路分析都找不到原因,那就退回原点,让最基础的机械结构自己开口说话。”
片刻之后,孟澈拿着一支激光笔跑了回来。
尹航也是有些不情不愿,递过去一片边缘因为切割失误而报废,只有指甲盖大小的镀膜硅片。
江临接过这两样东西,又要了一小截随处可见的3面胶。
所有人都安静地注视着他的动作。
江临目不转睛,小心翼翼地将废硅片粘在那块引发争议的铝合金转接板侧面,一个垂直于地面的平整边缘上。
在整个过程中,他的手稳得没有一丝颤抖,完完全全避开了转接板上方的调整架和主光路,没有触碰任何不该碰的东西。
接着,他四下看了一眼,搬来了一个装载着示波器,完全独立于光学平台之外的移动仪器推车。
把推车推到距离平台大约一米远的地方,锁死万向轮。
然后用厚厚的布基胶带,将那支黑色的激光笔绑在推车的金属立柱上,确保它不会发生任何相对晃动。
“啪”的一声轻响。
江临按下激光笔的开关。
一道极细极亮的绿色激光束瞬间射出,在空气中微小尘埃的散射下,光束像一把利剑,精准地打在转接板侧面粘着的那块废硅片正中央。
由于硅片表面的镀膜具有极高的反射率,光束立刻发生反射。
这道绿色的反射光,跨越了整间恒温实验室大约十米的漫长距离,最终投射在了对面那堵刷着哑光白漆的墙壁上。
白色的墙面上,出现了一个明亮的绿色圆形光斑。
江临从卫衣口袋里掏出一支黑色的细头水性笔,走到那堵墙边,在墙面上紧贴着那个绿色光斑的正中心,稳稳地画了一个极小极细的十字标记。
“光杠杆。”陆知行站在平台旁,看着江临布置完这一切,低声吐出了这三个字。
作为物理系副教授,他当然知道这个原理。
不仅知道,他还曾在讲台上无数次给学生推导过它的几何方程。
这是人类物理学史上,最古老最经典,也最优雅的微小位移纯机械放大技术。
当年,卡文迪许为了测量极其微弱的万有引力常数,库仑为了测量微观电荷间的扭转作用力,用的全都是这套不依赖任何电子芯片,仅仅靠纯粹几何学反射原理来放大微观形变的方法。
几何学的光路极其无情。
如果转接板发生了一个极其微小的角度偏转Δθ,那么根据反射定律,反射光束的偏转角就会放大两倍,变成2Δθ。
这道偏转的光束,经过距离L(在这里,跨越了整个实验室,足足有十米之远)的长臂放大之后,投射在墙上光斑的实际位移Δy,就严格等于Lxtan(2Δθ)。
在极小角度下,近似为2L·Δθ。
十米的放大臂长,足以让微小角度变化,在墙壁上变成肉眼可辨的光斑移动。
“这到底能说明什么?”尹航看着墙上的光斑和十字标记,依然满脸不解和烦躁,“我们下面铺的是三十厘米厚的不锈钢,上面用的全都是高强度的螺栓刚性连接。难道你以为这块半寸厚的航空铝板,会在二十二度的恒温室里自己弯曲得像面条一样吗?”
江临根本没有去理会尹航的嘲讽。
他径直走回到光学平台前,目光盯着孟澈,语气不带任何商量的余地:“麻烦你,用手托住调整架旁边这根悬垂的黑色电缆。注意,不要用力往上抬,也不要左右摇晃。只要轻轻托住它,消除这截电缆自身重力对这块转接板向下拉扯的力就行,保持十秒钟。”
孟澈愣了一下,他转头看了一眼陆知行。
见导师没有任何反对的表示,便深吸一口气,伸出戴着防静电手套的右手,小心地轻轻托住那根悬空的同轴电缆。
十秒钟倒计时开始。
实验室里静得只能听到空调出风口极其微弱的气流声。
“好了。”江临盯着手表上的秒针,“现在,极缓慢地松开你的手,让这根电缆重新自然下垂,恢复原状。”
孟澈咽了口唾沫,手指一点点松开,缓缓收回手。
那根沉重的同轴电缆再次失去了底部的支撑,它的重力重新变成了一股持续的牵引力,坠在转接板的边缘。
“看墙上。”江临的声音没有任何起伏。
尹航、孟澈、姚思雨,甚至包括陆知行在内,所有人猛地转过头,盯向十米外的那堵白墙。
“嘶——”
尹航倒吸了一口冰凉的空气,眼睛瞬间瞪大。
那个绿色的光斑,它偏离了江临刚才用黑笔画下的那个完美的十字中心。
偏离量在宏观尺度上并不大,大约只有零点二到零点三毫米。
但对于在场这些常年和极限精度打交道的人来说,这已经足够刺眼。
十米光路,光杠杆两倍放大,意味着转接板出现了10??弧度量级的角度变化。
对日常机械装配来说,这像是不存在,可对纳米级干涉测量来说,这是一场灾难。
Δy=0.2
L=10m
Δθ≈1x10??rad
这意味着,那块被他们认为被四颗高强度内六角螺栓压在三十厘米厚不锈钢底座上,坚如磐石的铝合金转接板,在刚才仅仅失去和恢复两百克电缆重力的微小瞬间,竟然发生了一个大约十万分之五弧度的空间角位移。
十万分之五弧度,对于日常宏观世界来说,连一根头发丝直径的百分之一都不到。
就算用最精密的千分尺去卡,也测不出任何变化。
但对于一套要求光程稳定性在几个纳米级别,靠光波的相位去测量的干涉仪来说,这是一个足以让整套复杂光路发生畸变,让干涉条纹疯狂抖动的巨大灾难。
而更让人感到毛骨悚然的物理学现象,还在后面。
当孟澈完全松开手后,那个偏离了大约零点二到零点三毫米的光斑,并没有像理想的弹性体那样,立刻随着受力的恢复唰地一下弹回十字中心原位。
它停顿了一下。
然后,在接下来的十几秒钟里,那个绿色的光斑就像是一只在玻璃上爬行的极其缓慢的蜗牛,一点点一点点地,带着令人窒息的迟滞感,朝着十字中心艰难地蠕动回去。
最终,它停在了距离十字中心还有大约0.2毫米的地方,彻底不动了。
无论等多久,它都不再回去。
迟滞环。
残余形变。
这就是微观摩擦力的幽灵。
“这怎么可能?”
孟澈喃喃自语,他失魂落魄地低头看着自己的右手,又猛地抬头看着那根静静下垂的黑色电缆。
“这就只是一根普通的线缆,整段悬空的重量加起来不到两百克。它怎么可能,怎么可能拉得动四颗高强度螺栓锁死的金属板?这不符合受力分析。”
“因为金属从来都不是绝对完美的刚体,而且,你们的螺栓根本就没有锁死它。”
江临走回到平台前,指着那块惹下滔天大祸的铝合金转接板的四个角,说。
“你们在最初搭建这套系统装配的时候,为了赶时间省事,是不是用普通的内六角扳手,直接顺着某个方向,把这四颗螺栓依次拧紧了?而且,你们没有使用扭矩扳手控制每一颗螺栓的拧紧扭矩。”
负责最初光路硬件搭建的尹航,脸色瞬间变得惨白,仿佛被人当众扒光了衣服。
他张张嘴,喉结滚动了一下,却说不出一句反驳的话。
江临说得全中。
在科研实验的日常搭建中,为了快速验证光学原理,极少有研究生会像航空航天流水线上的高级技工那样,严格按照对角线交叉分级分次施加标准扭矩的机械规程去打每一颗螺栓。
大家都是凭着手感,拧紧了算数。
江临的语速依旧平缓,仿佛在宣读一份早就写好的物理学判决书。
“这就是灾难的开始,预紧力极度不均,左侧的两颗螺栓受力极大,右侧的两颗受力极小。这块看似平整的铝板,在微观层面上,其实是被你们强行扭成了一种极其怪异的受力状态,内部充满了淤积的弹性应力。”
“而这根两百克的电缆,虽然轻,但它悬挂在边缘,在几何上形成了一个长长的杠杆臂。它每时每刻都在对这个受力不均的铝板施加一个微小的、持续的偏置力矩。当你托起电缆时,这个力矩突然消失,铝板内部淤积的弹性应力瞬间得到释放,微观粗糙峰之间发生了微小的相对滑移。”
“当你松开手,重力力矩重新加载。但由于两块金属的结合面之间存在着极其复杂的静摩擦力,它无法立刻克服摩擦力回到最初的平衡
陆知行没有立即叫停,似乎想要再听听江临怎么说。
江临静静地站在原地,没有反驳,也没有表现出任何被名校博士轻视后的急躁、委屈或愤怒,只是平静地讲述自己的方案。
不可无否认,这个方案在实验规程上几乎无可挑剔。
非侵入式,极低成本,没有任何损坏核心设备的风险。
陆知行在脑海中快速评估了这个方案的风险收益比。
一份钟后,他做出了决定。
“尹航,你去门口那个杂物箱里,找一片切割报废的硅片过来。孟澈,上去拿一支准直激光笔。”
尹航愣在了原地,嘴巴微张:“陆导,您真的要陪着他在这里过家家?”
“你们已经卡了三天了。”陆知行打断了他,声音严厉得像是在训斥本科生,“既然最前沿的软件算法和最顶级的电路分析都找不到原因,那就退回原点,让最基础的机械结构自己开口说话。”
片刻之后,孟澈拿着一支激光笔跑了回来。
尹航也是有些不情不愿,递过去一片边缘因为切割失误而报废,只有指甲盖大小的镀膜硅片。
江临接过这两样东西,又要了一小截随处可见的3面胶。
所有人都安静地注视着他的动作。
江临目不转睛,小心翼翼地将废硅片粘在那块引发争议的铝合金转接板侧面,一个垂直于地面的平整边缘上。
在整个过程中,他的手稳得没有一丝颤抖,完完全全避开了转接板上方的调整架和主光路,没有触碰任何不该碰的东西。
接着,他四下看了一眼,搬来了一个装载着示波器,完全独立于光学平台之外的移动仪器推车。
把推车推到距离平台大约一米远的地方,锁死万向轮。
然后用厚厚的布基胶带,将那支黑色的激光笔绑在推车的金属立柱上,确保它不会发生任何相对晃动。
“啪”的一声轻响。
江临按下激光笔的开关。
一道极细极亮的绿色激光束瞬间射出,在空气中微小尘埃的散射下,光束像一把利剑,精准地打在转接板侧面粘着的那块废硅片正中央。
由于硅片表面的镀膜具有极高的反射率,光束立刻发生反射。
这道绿色的反射光,跨越了整间恒温实验室大约十米的漫长距离,最终投射在了对面那堵刷着哑光白漆的墙壁上。
白色的墙面上,出现了一个明亮的绿色圆形光斑。
江临从卫衣口袋里掏出一支黑色的细头水性笔,走到那堵墙边,在墙面上紧贴着那个绿色光斑的正中心,稳稳地画了一个极小极细的十字标记。
“光杠杆。”陆知行站在平台旁,看着江临布置完这一切,低声吐出了这三个字。
作为物理系副教授,他当然知道这个原理。
不仅知道,他还曾在讲台上无数次给学生推导过它的几何方程。
这是人类物理学史上,最古老最经典,也最优雅的微小位移纯机械放大技术。
当年,卡文迪许为了测量极其微弱的万有引力常数,库仑为了测量微观电荷间的扭转作用力,用的全都是这套不依赖任何电子芯片,仅仅靠纯粹几何学反射原理来放大微观形变的方法。
几何学的光路极其无情。
如果转接板发生了一个极其微小的角度偏转Δθ,那么根据反射定律,反射光束的偏转角就会放大两倍,变成2Δθ。
这道偏转的光束,经过距离L(在这里,跨越了整个实验室,足足有十米之远)的长臂放大之后,投射在墙上光斑的实际位移Δy,就严格等于Lxtan(2Δθ)。
在极小角度下,近似为2L·Δθ。
十米的放大臂长,足以让微小角度变化,在墙壁上变成肉眼可辨的光斑移动。
“这到底能说明什么?”尹航看着墙上的光斑和十字标记,依然满脸不解和烦躁,“我们下面铺的是三十厘米厚的不锈钢,上面用的全都是高强度的螺栓刚性连接。难道你以为这块半寸厚的航空铝板,会在二十二度的恒温室里自己弯曲得像面条一样吗?”
江临根本没有去理会尹航的嘲讽。
他径直走回到光学平台前,目光盯着孟澈,语气不带任何商量的余地:“麻烦你,用手托住调整架旁边这根悬垂的黑色电缆。注意,不要用力往上抬,也不要左右摇晃。只要轻轻托住它,消除这截电缆自身重力对这块转接板向下拉扯的力就行,保持十秒钟。”
孟澈愣了一下,他转头看了一眼陆知行。
见导师没有任何反对的表示,便深吸一口气,伸出戴着防静电手套的右手,小心地轻轻托住那根悬空的同轴电缆。
十秒钟倒计时开始。
实验室里静得只能听到空调出风口极其微弱的气流声。
“好了。”江临盯着手表上的秒针,“现在,极缓慢地松开你的手,让这根电缆重新自然下垂,恢复原状。”
孟澈咽了口唾沫,手指一点点松开,缓缓收回手。
那根沉重的同轴电缆再次失去了底部的支撑,它的重力重新变成了一股持续的牵引力,坠在转接板的边缘。
“看墙上。”江临的声音没有任何起伏。
尹航、孟澈、姚思雨,甚至包括陆知行在内,所有人猛地转过头,盯向十米外的那堵白墙。
“嘶——”
尹航倒吸了一口冰凉的空气,眼睛瞬间瞪大。
那个绿色的光斑,它偏离了江临刚才用黑笔画下的那个完美的十字中心。
偏离量在宏观尺度上并不大,大约只有零点二到零点三毫米。
但对于在场这些常年和极限精度打交道的人来说,这已经足够刺眼。
十米光路,光杠杆两倍放大,意味着转接板出现了10??弧度量级的角度变化。
对日常机械装配来说,这像是不存在,可对纳米级干涉测量来说,这是一场灾难。
Δy=0.2
L=10m
Δθ≈1x10??rad
这意味着,那块被他们认为被四颗高强度内六角螺栓压在三十厘米厚不锈钢底座上,坚如磐石的铝合金转接板,在刚才仅仅失去和恢复两百克电缆重力的微小瞬间,竟然发生了一个大约十万分之五弧度的空间角位移。
十万分之五弧度,对于日常宏观世界来说,连一根头发丝直径的百分之一都不到。
就算用最精密的千分尺去卡,也测不出任何变化。
但对于一套要求光程稳定性在几个纳米级别,靠光波的相位去测量的干涉仪来说,这是一个足以让整套复杂光路发生畸变,让干涉条纹疯狂抖动的巨大灾难。
而更让人感到毛骨悚然的物理学现象,还在后面。
当孟澈完全松开手后,那个偏离了大约零点二到零点三毫米的光斑,并没有像理想的弹性体那样,立刻随着受力的恢复唰地一下弹回十字中心原位。
它停顿了一下。
然后,在接下来的十几秒钟里,那个绿色的光斑就像是一只在玻璃上爬行的极其缓慢的蜗牛,一点点一点点地,带着令人窒息的迟滞感,朝着十字中心艰难地蠕动回去。
最终,它停在了距离十字中心还有大约0.2毫米的地方,彻底不动了。
无论等多久,它都不再回去。
迟滞环。
残余形变。
这就是微观摩擦力的幽灵。
“这怎么可能?”
孟澈喃喃自语,他失魂落魄地低头看着自己的右手,又猛地抬头看着那根静静下垂的黑色电缆。
“这就只是一根普通的线缆,整段悬空的重量加起来不到两百克。它怎么可能,怎么可能拉得动四颗高强度螺栓锁死的金属板?这不符合受力分析。”
“因为金属从来都不是绝对完美的刚体,而且,你们的螺栓根本就没有锁死它。”
江临走回到平台前,指着那块惹下滔天大祸的铝合金转接板的四个角,说。
“你们在最初搭建这套系统装配的时候,为了赶时间省事,是不是用普通的内六角扳手,直接顺着某个方向,把这四颗螺栓依次拧紧了?而且,你们没有使用扭矩扳手控制每一颗螺栓的拧紧扭矩。”
负责最初光路硬件搭建的尹航,脸色瞬间变得惨白,仿佛被人当众扒光了衣服。
他张张嘴,喉结滚动了一下,却说不出一句反驳的话。
江临说得全中。
在科研实验的日常搭建中,为了快速验证光学原理,极少有研究生会像航空航天流水线上的高级技工那样,严格按照对角线交叉分级分次施加标准扭矩的机械规程去打每一颗螺栓。
大家都是凭着手感,拧紧了算数。
江临的语速依旧平缓,仿佛在宣读一份早就写好的物理学判决书。
“这就是灾难的开始,预紧力极度不均,左侧的两颗螺栓受力极大,右侧的两颗受力极小。这块看似平整的铝板,在微观层面上,其实是被你们强行扭成了一种极其怪异的受力状态,内部充满了淤积的弹性应力。”
“而这根两百克的电缆,虽然轻,但它悬挂在边缘,在几何上形成了一个长长的杠杆臂。它每时每刻都在对这个受力不均的铝板施加一个微小的、持续的偏置力矩。当你托起电缆时,这个力矩突然消失,铝板内部淤积的弹性应力瞬间得到释放,微观粗糙峰之间发生了微小的相对滑移。”
“当你松开手,重力力矩重新加载。但由于两块金属的结合面之间存在着极其复杂的静摩擦力,它无法立刻克服摩擦力回到最初的平衡