科学的发展道路坎坷不平,充满障碍。在化学大楼二楼安装洒水设备可妨碍三楼大多数埋头苦干的核磁共振(NMR)谱学家们的工作。当火车开出波士顿地铁肯德尔广场广场站时,某些科学研究将出现反常现象。在6月的第一个炎热星期的日子里,街上的交通或厅里的一群学生也能销毁数据,掌握实验的命运。
通常在经历过一段长时间的困惑和众人智慧的汇集,科学障碍的奥秘终被揭示,借助它的帮助,科学家可以找到绕过这个障碍的路或使障碍消失。但在障碍的奥妙其相大白之前,恶魔仍将发挥作用。
描述这个带有破坏性并使人担忧的科学障碍的专用术语就是“五点效应”。它变化多端,有些在预料之中,另一些则似乎是恶魔所为。
据加州大学的分析化学家P. 格利弗斯(Peter Griffiths)所说,在他看到T · 希尔谢弗德(Tomas Hirschfeld)后期写的关于付里叶变化红外光谱(FT-IR)的特殊故障之前,他就听说过这种效应,这一段具体描述如下:“在早期的FT-IR仪器或自己组装的仪器上,波动噪音通常源于五点效应。晚上外部干扰消失,仪器运转正常。”
虽然有些技术比另一些技术易受“五点效应”的影响,但从许多科学家的报告中可清楚地看出,“五点效应”不是特指FT-IR。从某种程度上来讲,几乎所有的科学家或多或少地受到令人讨厌的“五点效应”的冲击,但其中某些形式确实与“五点钟”没有关系。
上述“洒水设备效应”就是一例。在西拉斐特普都大学的NMR谱学家B · 森迪尼(Bob Santini)不断地收到研究生的电话,抱怨不能将仪器调整到或保持在300兆赫芝的磁场,学生们在测定时先调好仪器的磁场强度,但在测定中磁场漂移,导致分辨率降低。
森迪尼来到实验室,对仪器的干扰源(如安培计、工具和各处的电子装备)进行检查后,也没能调好仪器的磁场。他说:“我们只好无能为力。”几天后,在森迪尼科研小组工作的一位学生走过二楼去拿巧克力午茶时,注意到带有许多铁管的新洒水设备正在安装。这下问题就清楚了。正是这套洒水设备扰乱了仪器的磁场。森迪尼的同事利特(Fred. Lytle)说:“只要安装一根新管子,磁场就会发生变化。”一俟安装工作结束,他就再没收到研究生的抱怨电话。
普都大学的激光光谱学家,利特也有其涉及到不吉祥的“插销 - 孔”效应的苦衷。四年多来,利特将他的一半研究生形象比喻为“仪器包装箱”。只有一半研究生会锁模激光器的操作,而其它研究生总学不会这种操作,不得不主要从事化学方面的工作,
一天,利特和一个博士后注意到这样一个现象。当他们把通常放在光具座上的射流染料激光器向右移动大约一英时时,激光器就不能进行锁模。利特当时认为这很滑稽,仅仅移动激光器的位置同氩离子激光器的锁模能力有何关系?
实践证明那些会锁模激光器操作的人员通常习惯于把所有的元件都放进桌子上的一些洞中,很明显这些洞没有对氩离子激光器产生光反馈。而另一方面,那些不能成功进行激光器锁模的研究生碰巧选择了对激光有反馈的洞。
利特的科研组解决了糟糕的洞的空中障碍后,现在每个人都会锁模操作。“真是太轻松了,”利特说,特别是对那些他认为不能正确掌握要领的同学来说,“仅仅由于选择把一个元件放进插销内孔中就可以标志着他们称不称职,那太可怕了。”他怀疑有大量类似的例子。
David Hercules与波士顿地铁效应就是这样的例子。大约在二十年前,他的科研小组用磁电子能谱从事化学分析的开拓性研究(ESCA电子能谱化学分析)。虽然所用仪器同瑞典乌普沙拉的所用仪器完全相同,这台仪器的交流声信号使Kai Siegbahn获得了1981年的诺贝尔奖。而只到Siegbahn帮助Hercules安装好仪器6个月后,他才能在仪器上从事研究。
为了使仪器正常运行,Hercules的小组不得不用许多探向线圈在X. Y. Z轴上消除地球磁场的影响。探向线围装好后,小组又遇到了几个问题。首先是在实验室测磁仪仍测量到100毫高斯周期性的磁场波动,研究工作者将这些波动归于“空调效应”很明显控制进入线圈电流的电阻受到实验室温度波动的影响,这种波动随着空调器的打开或关闭而加重。当他们在电阻下放 - 控制温度的油浴,这个问题得到解决。
解决了这个波动问题后,又冒出了另一个问题。在上午七点半和九点间,下午四点半至六点间,他们注意到有大约50毫高斯的随机波动。Hercules说:“不必费心就可想象得出这是由于交通的原因,特别是在星期六和星期日,这种波动就消失了。”上下班的交通反映在仪器上就像一个已在运动的不规则铁物体磁场的影响,并发出刺耳的叫声。据Hercules介绍,采用某些反馈电路对付这个问题。
上下班效应的解决使所有效应中最神秘的效应 - 波士顿地铁效应得以暴露。在整天的任何时间仍有6毫高斯的波动。他们怀疑这个问题是来自直流电动机的影响。Heroes说:“我们注意到波动总是在半夜一点钟消失,上午五点钟又恢复。”这种磁场波动消失的时间完全同波士顿地铁的运行时刻表吻合。据他估计,肯德尔广场站离实验室大约700码。
在安装了消除波士顿地铁效应的另一个反馈系统后,Hercules和他的同事们才能正常进行实验。现在匹兹堡大学任教的Hercules事后用更容易不受磁场干扰的3个一组的静电式仪器取代了磁电子能谱。
“吊车效应”也是五点效应中的一种o Richard Dluhy通常总是在半夜或是周末到Battelle Columbus实验室工作。这是他的FT-IR实验室可以工作的唯一时间,其原因在于Dluhy的实验室下面是一个机械车间。Dluhy惋惜地说:“一个十吨重的吊车在天花板上动来动去。”他买了一个振动隔离台,使大约90%的振动得以消除。
里弗宽德加州大学Griffiths实验室的在读研究生Gilbert Pariente又是一个晚上和周末工作的典型。Griffiths说:“他一直在同五点效应对抗,他的论文大部分实验都是在晚上进行。“Pariente确认他开夜车是“人口效应”。
Pariente说:“我注意到在周末,特别是在星期五或星期六晚上,得到的光谱总是好一些。”他很快对此下了结论。正是楼房里的走动和实验室干扰他取得数据,因为步进干涉仪要求棱镜每步移动不超过1纳米、长凳的碰撞,门的撞击以及在楼板上拖椅子足以使仪器的分辨率变坏。
人口效应本身有许多形式。斯坦福大学的激光光谱学家Richard Zare对此很了解。据他所言,实验室晚上只有少数人,结果电噪声,射频噪声和音响噪声(如电话、收音机)要小些。“你认为在一天一事无成的感受要少一些。”较小的水压紊乱以及所有的影响减少,Zare的结论为:“不管你相信不相信,所有这一切使标觉得在晚上做实验要好一些。”
Zare还谈到Pariente和许多其它人常常受到供电效应的影响。正如Murray Hill AT &T Bell实验室的Timothy Harris所指出,这种效应与人口效应和天热有关。Griffiths的实验室有几个气相色谱仪,这些色谱仪都有加热室。当它们同时运行时,Griffiths常常观察到计算机显示屏上的图像缩小或扩大,这是电力不足所致。他说:“如果监视器电力不足,想想看哪些灵敏的传感器件将会怎样呢?”他认为这样的电冲击会使数据出现假信号和神秘信号。
哈利斯(Harris)注意到每年夏天天热的影响给他生活带来大约6次致命的影响。在这些夏季最热的日子,东北电网被烤焦或电力供应不足。他说:“如果遇到一个反常的热天,关键的实验你必须考虑做2次。”他的实验要使用高功率激光器。显而易见,当供电有干扰时,激光器就会抗议。
贝尔实验室往西8百英里,每年6月,由于温度效应,Lytle汗流满面。据他介绍,激光器在一年中除了6月外都能工作,对此他很惋惜。这个时间间隔与温热季节的第一个星期相吻合。每年6月,高湿度可使激光器的1万5千伏控电装置打穿绝缘材料,造成短路。Lytle疑惑地说:"我的学生与激光器开了个玩笑。”由此往西2千英里,盐湖城犹大大学的激光光谱学家Joel Harris(与Tim Harris无关)正在与“水压效应”作斗争。他说:“水压变化与上下班有关。”Zare对此又作了进一步补充,认为水压高低与每天下班和休息喝咖啡的时间有关。水压波动造成水冷激光器的稳定性随冷却效果的下降而降低。为了缓解这种效应的影响,一些科研人员在普通供水装置上安装了带热交换器的闭路系统。但是据AT&T的Harris介绍,水压波动仍然存在。
使Joel Harris困扰的另一问题是雷雨。他说:“最头痛的电压波动来自于夏天下午的雷雨。”在雷雨期间,他小组的工作人员避免做一些关键的实验并关上那些最敏感的计算机。这些雷雨通常发生在酷暑下午4点左右。
如果不是雷雨天气,那么就是大晴天。原在光激仪器公司现在瓦里安研究中心工作的Zander和其它人发现仪器的运转正常与每天的结束有某种关系。在此之前,人们难以从位于最西墙旁边的高分辨光谱仪上得到好的数据。
据Zander介绍,楼房修建在两山之间的一条小溪旁,西墙在中午有阴。结果是墙冷下来了,楼的热负荷保持稳定,使空调保持室温稳定,从而光谱仪在比较可靠的条件下工作,获得好的结果。
科学家们一致认为“五点效应”将继续争论不休。zare说:“特别是对于那些依据尚不完善的实验,那里你需要有用的额外信息。”然而,对于那些有充分依据的实验,这些效应就没有关系。对大多数成功的科研工作者而言,“五点效应”在某些现象困惑不解时给你有益的暗示,它标志着科学的进步并不平坦,有时唯一的解释就是“因为”。
[Analytical Chemistry第60卷第17期]