天体物理学中的高能粒子.doc

宇宙飞弹：天体物理学中的高能粒子序1992年，有一个人类知道的飞行最快的物体打到犹他州上空25千米的地球大气层上。它击中地球大气层时的运动速度是光速的百分之 99.999,999,999,999,999,999,999，对于平常物体而言，这是有可能达到的最快速度。这个所谈到的物体就是宇宙射线，更准确地 说是一颗宇宙粒子。它的本性和起源仍是个谜，但它却是从宇宙空间连绵不断降落到地球上的无数粒子之一。20世纪的物理学建立在两个深奥而强大的理论基础之上：相对论和量子力学。前者是关于空间和时间的理论，当物体速 度接近光速时，各种奇异的效应就完全显示出来。后者是关于物质的理论，所显示的效应甚至比相对论更古怪，不过主要表现在原子和亚原子的尺度上。由于宇宙射 线是以非常接近光速运动的亚原子粒子，所以它把现代物理学的这两个基本理论的全部特色结合进一个单一实体。因此，在这人类认识到的物理实在的两个最基本方 面的交叉点上，我们期待着能看到全新的甚或完全不同寻常的各种现象的活动。天文学也许是最大众化的科学。如今，大家常常听到谈论黑洞、类星体和脉冲星。人们都听到过宇宙起始于一次大爆炸， 而且报纸上定期展示给我们从哈勃空间望远镜发回的图片。可是，科学界以外的公众对宇宙射线却几乎什么也不知道，尽管实际上宇宙射线的产物每时每刻都在穿过 我们的身体，对宇航员和甚至空中航线上的旅客可能是一种严重的致癌危险。基本粒子物理学成为另一个颇具魅力的科学分支有其自身的合理性。例如Lep(设置在日内瓦附近的CERN实验室) 的巨型加速器使亚原子碎片在周长许多千米的环形管道中运转。这些技术上的巨人创造着宇宙大爆炸刚发生后通常会有的物理条件。它们的建造和运行须耗费数十亿 美元，对它们进行操作需要科学家和工程师们组成的真正意义上的大军。常常听到这样的说法，一项人类创造的技术无论多么灵巧，大自然早已首先创造出来。粒子加速器就是这种情况。不晓得 什么缘故，在宇宙空间的深处，大自然已经创建了把亚原子粒子加速到CERN梦想不到的速度和能量的必要的物理条件。这些粒子从天上自由地径直来到我们这 里。其中有许多已横越星系旅行了数千光年的路程，为我们带来有关中子星和黑洞等天体系统的外来关键信息。宇宙射线跨越着处在物理科学关键位置上的两个学科，天文学和粒子物理学。一个学科研究宇观世界，另一个学科研究微 观世界。在科技史上，宇宙射线的观测研究在亚原子粒子物理学中作出了一些非常重大的发现。第一例反物质粒子(正电子)就是1932年在宇宙射线碰撞出的碎 片中找到的。没过几年，又从宇宙射线碰撞产物中发现了介子和介子。在50年代、60年代、70年代这一段时期，着重点从宇宙射线研究转移到利用人造粒子加速器对物质的基本结构进行 研究阐释。不过，最近几年着重点又开始向回转移。粒子加速器耗资巨大并不是促成向回转移的惟一因素。当今的物理学家和天文学家认为，大自然能产生我们的加 速器远达不到的异乎寻常的亚原子粒子类型。特别是，对这些粒子进行研究能够揭示，宇宙空间产生这种粒子的天体的极重要的细节情况。宇宙射线粒子带来的信息 是用望远镜不可能搜集到的。使宇宙射线研究复兴的另一个因素是技术的进步。这门科学的先驱者们依靠在照相乳胶或云室中检验径迹这样的早期技术获取数据，而今天的科学家们能操纵一系列复杂的仪器设备，例如高空气球、超级快速电子设备和高效检测器。本书的作者罗杰柯莱(Roger Clay)和布鲁斯道森(Bruce Dawson)是宇宙射线研究领域中的权威专家。近些年来，柯莱的大部分工作是指导南澳阿德莱德(Adelaide)附近的地面站系统，和在伍麦拉 (Woomera)附近的荒漠中与帕特森(John Patterson)以及若干个日本研究组进行合作研究。位于伍麦拉的观测系统设计成采用一种新奇的方式搜寻高能宇宙射线。实验者们把反射镜转向黑暗的荒 漠夜空，寻找宇宙射线簇射落入大气时产生的微弱闪光。这种光具有独特的特征，类似于航船的顶头波，只要带电粒子穿过介质(此处为空气)时的速度快于该介质 中的光速，就会发出这种光。虽然这种检测宇宙射线的技术似乎不可思议，但已证明非常成功。一台因其独特外形而称做蝇眼的巨大检测器阵列，在犹 他州运转着并一直是道森的工作中心。这套系统还采用更灵敏的检测方法审视着天空中的宇宙射线簇射产生的光。所获观测结果令人激动并使人兴趣倍增，在粒子物 理学和天文学领域唤起了某些根本的信念。特殊奥秘笼罩着新近发现的最高能量粒子的本性公正地说，我们这里产生不出这类粒子。作为国际合作研究组成部分的蝇眼，其使用者柯莱和道森当前正投身于研究这些极高能粒子。他们处在推动建造两套宏伟 无比的宇宙射线观测设施的最前线，该设施采用16000平方米检测器，覆盖3000平方千米的地面，以便彻底贯彻他们的初步观测意图。他们深信，无论这极 高能粒子是什么，不管它是由什么奇特的天体系统创造的，通过进一步对它们的研究都会使我们对物理学和天文学的理解向前推进一大步。正像柯莱和道森所指明 的，此时此刻的宇宙射线物理学，正处在高地上。宇宙射线研究在前几十年的进展给人们深刻的印象，但我们能观察到前面等待着的仍然是长期跋涉。下一代检 测器的采用会使这次新的跋涉取得成功。我们登上绝顶将会看到什么?科学探索的全部目的是深入未知。在高处起先一瞥固然诱人，但是真正的快乐在于对意想不 到的前景的发现。古希腊哲学家已经知道大自然有个基本特性，他们称之为完美原理。大概意思是，如果某件事物有可能出现，大自然势必将它变成现实。在宇 宙所配备的全部资源上，大自然产生了我们在加速器中也能产生的全部系列亚原子核实体和更多的存在物。无论多么怪异的粒子有待寻找，我们确信它们迟早会从什 么地方出现。保罗戴维斯于阿德莱德大学前言 我们看到宇宙有许许多多奇特迷人的景象。夜空中的繁星往往令我们神往，人们对它们已经观察研究了数千年。但它们告诉人们的天文真情只是很少的一部分。近来，人们已经领悟到，我们还需要有例如射电天文学和X射线天文学这样的其他学科来丰富我们对宇宙的视野。当今人 们更加明白甚至这还不够。实际的情况是，在围绕我们的天空还充斥着极高能量的亚原子粒子的狂暴轰击。对宇宙中最狂暴事物的研究属于高能天体物理学的领域， 所谈论的高能粒子就是宇宙射线。这些粒子在许多方面都是神秘莫测的。尽管已经认真探索了长达一个世纪，仍然不能确定它们是从哪里来的，或者说它们是如何产生的。不过，人们知之甚少的关于宇宙射线发现的故事，以及随后对它们的研究，却有许多引人入胜和令人惊奇的曲折情节。多亏有了宇宙射线探索，物理学家才首次发现了预言中的反物质粒子。宇宙射线的研究导致了把原子核结合到一起的胶 水介子的发现。宇宙射线研究还揭示出子的存在，子的意外发现对现代物质理论的形成大有帮助。简而言之，宇宙射线为科学家们研究最高能量范围的 粒子物理学提供了自然界实验室。不仅如此，这些粒子还深入地揭示着宇宙的天体物理本性。黑洞、中子星、超新星和类星体，很可能都以某种方式卷入了来自宇宙空间的这些神秘放射性物质所揭示的非凡故事情节之中。本书就是我们试图阐述那些故事情节的著述。科学的进步在于提出问题和解答问题。科学进步还取决于观察与理论概念之间的相互作用。有时候，观察或理论只能做到 在常规中进步，必须等待另一方有所突破才能突飞猛进。另一方面，有时实验和理论会陷入这样一种料想不到的局面，开创者们必须耗费大量时间学着对付种种不熟 悉的新观念。对来自宇宙的高能粒子的研究，必然面临着更多出人意料的观测结果及其导致的曲解。在宇宙射线研究领域，攀登发现高峰的不屈不挠的奋战中，我们当前似乎正登上一处高地。我们感到，人们已学会理解大 量的30年前不可想像的事物，但我们深信在前面等待我们的仍然是长期的攀登。我们当前正在为了向人类已知最高能量粒子研究的新一轮冲刺作着准备。我们已经 清楚地看到，现今的宇宙概念还不能胜任对已知事物给出正确解释的任务。为了充分把握什么是需要真正解释清楚的事物和什么是人为的观测局限性，我们必须掌握 更多详情细节。这里，我们将集中研究阐述宇宙中的最高能量物质。对它们的理解就是我们的神圣目标。经验告诉我们，在抵达现代天体物理学中这块意外的奇异王 国之前，仍然需要长途艰苦跋涉。第一章开场白虽然既感觉不到也看不见，就在你阅读本书的每秒钟里，一直有宇宙射线轰击你的身体。尽管对它们瞬间飞逝从不在意，我们还是继续暴露在冰雹似的宇宙飞弹的弹雨之中。这种神秘的物质粒子看来起源于宇宙深空的极远地区。公正地说，并非所有打到我们身上的高能粒子都来自空间。约有半数是从周围的地球环境中发出的，食盐中含有放射性 钾，建筑房屋的砖石材料中含有铀，我们呼吸的空气中还含有氡气。它们都在发射粒子。有些地点，这种种放射源是很危险的。例如在氡气含量水准过高的地区，氡 气被认为对人们的重大贡献是导致发生癌变的终身危险。宇宙飞弹也能引起麻烦。宇航员、飞机乘务员和旅客都显然暴露在宇宙辐射较高的环境中，与地上的人们相比有较高剂量的粒子落到身上。以至起码有条航线Lufthansa，禁止怀孕女飞机乘务员在航班上服务。除了安全问题外，宇宙飞弹长期以来还是人们有强烈科学兴趣的课题。它们是什么?它们是从哪里来的?这些问题困扰了 科学家们一个多世纪。人们对宇宙射线更感兴趣的还是它的极高能量。它的存在使人类加速亚原子粒子的努力显得黯然失色。事实上，粒子加速器达不到的高能量 处，才刚是最低能量宇宙射线的起始处。最高能量宇宙射线比人类产生的最大能量粒子的能量要高过1亿倍。从而企求答案的重大问题就是：这些超高能粒子是怎样 产生的?问题的初步提示有关电的某些知识几千年前人们就已知道，不过只是到了近代才学会对电作深入理解。电有个特性，两个世纪前人们就注意到了，它很可能就是宇宙辐射作用的结果。这起因于对静电的研究。我们大都熟悉这样的事，在干燥的天气，如果用梳子梳过头发，梳子便有了吸引碎纸屑的能力。在干燥天气，如果离开汽 车接触门把手时或在地毯上行走后接触金属物体时，就可能遭遇轻轻的电击。这种效应是由于梳子或人体本身通过摩擦获得一定数量的电荷的结果。梳子摩擦头发， 汽车摩擦道路或鞋摩擦地毯，就是摩擦起电的过程。我们知道，梳子、汽车和地毯等物质都是原子构成的，原子中包含着带正电荷的原子核和带负电的电子，两种电 荷数量相等达到平衡，构成电中性的原子。但是，摩擦过程从原子中移去一些电子。这种自由电子以及剩下的带正电原子能够不断积累，所以最后能产生惊人的电击 效应。早期最值得注意的静电研究是在18世纪由法国物理学家库仑(C.A.deCoulomb)实现的。他于1785年 在巴黎作过有关报告。库仑的名字最常出现在一个有关电荷的基本定律中，该定律描述电荷相互吸引或排斥的力量有多强。他从一长串细心的实验中取得大量关于电 荷的知识，有的部分深入到静电力的研究。他的研究工作的必要部分包括，研究从绝缘带电体逐渐放电的过程，例如他在试验中仅用细绝缘线悬挂着小球验证放电现 象。在这个实验中库仑发现，任何物体带电后，电荷都不能永久保持，总会以某种神秘的方式逐渐跑掉。他推测一些电荷或许是经由悬线跑掉的，但是即便果然如 此，也不足以圆满解释全部损失。他发现电荷漏掉的快慢在很大程度上与空气潮湿度有关。当今我们不会再怀疑这一看法，因为在天气干燥时，梳理头发出 现的起电作用最明显。这是因为在天气相对潮湿时，电荷既可以由空气中的水分传走，又可以由潮气凝聚形成的传导路径传走。带走静电可能还有什么其他机制的问 题一直没有弄清楚。这样又过了一个世纪。19世纪时人们认识到，如果空气中包含着自由运动的电荷，物体逐渐放电的现象就能得以解释。科学家们想到，自由运 动电荷能在尘粒上找到，当它与某种东西甚或与空气原子摩擦时就会带电。现在我们知道，当电子从原子移开时就产生静电。这时原子包含着少于正常定额的电子，所以带有净正电荷。在有些情况 下，这些带正电的原子(离子)能够运动，很可能被吸引到带负电的区域，正负电荷随即相互抵消。现在已经弄明白，困扰库仑的电荷漏掉问题，是空气中的电离原 子造成的。问题是那些离子是从哪里来的?宇宙射线的发现接近19世纪末，英国物理学家查尔斯威尔逊(Charles Wilson)做了一个重要实验，但是在那个时代也把迷惑注入了静电学。他估算了金箔验电器中电荷泄露得有多快。这件仪器是用一根细黄铜杆和一片窄窄的薄 金叶片构成的。金叶十分灵活，一端附着在铜杆上，因此叶片可以自由地贴近铜杆或离开铜杆。当验电器充电后，电荷就分布到整个金叶和支撑它的铜杆上，这是由 于电荷相互排斥而尽量布满导体的缘故。这时又轻又薄布满电荷的金叶受到荷电铜杆的排斥，其下端就离开铜杆停在一定张角的位置。张角的大小就向威尔逊指出了 验电器带电的多少。通过对验电器金叶缓缓落向铜杆的观察就能测算出电荷泄露的速率。当黄铜支撑杆和金箔带电时，电荷传遍其各处。金箔上的电荷与铜杆上的电荷相互排斥，于是柔韧的金箔离开铜杆。金箔与铜杆间的张角大小表明所带电荷的多少。为了尽量找出是什么原因造成了电荷泄露，威尔逊把他的仪器放进一个不大的密封容器，并充进滤去尘埃的空气。他发现 这时电荷泄露的速率仍然依旧，泄露与空气来源无关。他还试过，充进从乡下取来的洁净空气和从他的实验室(混入城市污染和实验室带有放射性的污染)取来的空 气。他判定泄露不可能归因于尘埃。未曾预料到的结果使他深感困惑。接着，威尔逊比较了黑暗中与日光下的泄露情况，还是没有区别。而且不论仪器充的是正电荷 还是负电荷，放电速率都不变。威尔逊不得不得出这样的结论：实际上离子是以某种方式在密封容器里的空气中直接形成的。生成速率能根据等量产生的正电荷和负电荷总量测量出来。到底什么导致离子的形成，根源似乎不在他的仪器也不在实验室。由于尚无更准确命名，暂且叫做自发电离。威尔逊在剑桥大学学习时，汤姆逊(J.J.Thomson)讲授过，X射线(当时称做伦琴射线)的电离效应和阴极 射线(后来确认为电子)的电离效应。他还熟悉从放射性物质发出来的辐射的作用。自发电离的特征很像辐射引起的。1901年，威尔逊急于想知道，这种电 离是否能由来自地球大气以外的放射线引起。检验的办法就是，到更高的高度看是否效应增大和到地下看是否效应减小。他作了地下观察，但没有认识到地下放射性 对放电所起的作用也和穿透大气的粒子或射线所起的作用一样。遗憾的是，他的仪器还不够灵敏，区分不出是哪种作用。他夜间在苏格兰铁路隧道中所进行的测量表 明，那里的电离效应并没有测得出的减弱，这似乎消除了认为是宇宙来源的可能性。他得出的结论是，电离源必定是空气自身中的某种事物。此种看法又过了十年还没被澄清。这期间威尔逊所使用的简单验电器有了改进型。新型的电离室比验电器更完善更精密，并成了辐射实验室的标准设备。居里(Curies)在他对放射性的开创性研究中就用过一台这样的仪器。用上电离室才最后帮助解决了电荷泄露问题。决定性的实验是1912年8月7日完成的。其结果获得了诺贝尔奖。真令人惋惜，获奖者不是威尔逊。这次实验与威尔 逊深入地下测量相反，而是包括升入大气去测量。进行这项实验的科学家是VF黑斯(Viktor F.Hess)，他把电离室装进氢气球的吊舱里，携带着电离室升上高空，进行了一系列英勇的冒险飞行。宇宙射线实验从来都是在荒凉地区进行的，但很少有像 黑斯那样的勇敢探险。实验中，他乘坐在庞大体积的高度易燃的氢气球下的小小吊蓝里，飞升到5000米以上的高空。每次电离室测量实验都要耗费1个小时，气 球上升和下降的整个期间黑斯都作着紧张的测量。因为黑斯升上高空并不像现代登山者那样，能携带上救急用的氧气，所以每次飞行都是很危险的。在那样高的地 方，他的判断能力也会由于空气非常稀薄而大受影响。新仪器设备的采用往往会取得科学研究的重大突破。在气球观测中，使用的是一台大为改进的电离室。它是耶稣会教士沃 尔夫(Th.Wulf)神父特别为气球实验而设计的。为了探求高出地面电离总量有什么改变，1909年，沃尔夫自己在艾菲尔铁塔顶上也进行了测量实验，但 是测量实验并不成功。这种沃尔夫检测器既紧凑又结实，是专为对付气球急速升空时大气压的巨大变化而设计的。黑斯在他的气球测量实验中携带着三台这种辐射检 测器。黑斯受到奖赏是由于他的下述发现。气球开始上升时电离(辐射所导致的电离)减小不多。然而，高过约2000米的高 度后，辐射水准先是缓慢增加，随后当接近5350米的最高高度时辐射就会显著急速增大。他的解释是，来自地球放射性的辐射一直影响到约2000米的高度， 但在更高的高度上是另外的事物导致电离增大。黑斯猜测到，这另外的事物是从上方进入我们大气的高穿透力辐射。有一次他趁着正在日食，进行了气球飞升观 测。发现电离效应在日食时既不减小，在夜晚也不减小，所以导致电离的辐射源不像是太阳。到那时，对自然放射性已进行了广泛的研究，然而对于产生这种现象的核过程还不完全理解。正在蒙特利尔 (Montreal)工作的卢瑟福勋爵(LordRutherford)建立起辐射分三大类的观念。一类是粒子，现在知道它们是高速氦核；一类是粒 子，它们是电子或人为产生的阴极射线；另一类是射线，它们是与光线或X射线基本性质相同的高能光子，但是能量更大。这些辐射形式各有各的特性。粒 子飞驰的距离很短，粒子贯穿能力强些，而射线是到目前穿透力最强的射线。黑斯立刻意识到，致电离成分中有射线，因为如果辐射来自空间的话，必需穿透 好几公里地球大气。当时知道只有射线能有这样大的本领。我们将要知道，这一观点实际上并不正确。然而在当时，黑斯和其他任何人还搞不清楚原因。在黑斯的冒险气球飞行实验之后，物理学家W考尔赫斯特(Werner Kolhorster)又进行了更大胆的气球飞行实验。为了研究放射性，他继续发展沃尔夫电离室。1913年和1914年正当他二十几岁精力旺盛时，进行 了一连串的气球升空试验。考尔赫斯特到达了9300米的高度，类似珠穆朗玛峰的高度，或者说是喷气客机巡航的高度。在这个高度上，测到的辐射致电离效应比 地面上高出50倍。1930年，考尔赫斯特在波茨坦(Potsdam)创建了专门研究宇宙射线的第一个研究所。黑斯和考尔赫斯特所取得的观测结果(高度升高则辐射水准增大)清清楚楚地表明，辐射的源泉在地球环境以外。直到那时，天文学依然对回答这个问题束手无策。这种辐射穿过大气的方式还不清楚。只是注意到随着高度升高辐射增强，但是找出辐射强度如何变化却非常困难。初期的 观念是，因在大气层中穿过的厚度越来越深，而使得宇宙射线强度只会逐渐减小，但后来证明这个看法是错误的。我们现已认识到，在很高的高度上的绝大部分粒 子根本不是射线，显然出现那样的错误观点就难以避免。这表明出路依赖于几方面的突破。其中之一是必需对辐射穿过地球时其强度如何随高度、压强和其他参数 发生变化进行研究。我们即将看到，能让研究者观测到个别辐射粒子的一项新仪器的开发，导致另一个科研领域的巨大进步。第二章理解宇宙射线的新技术 20世纪初，科学研究是很艰苦的。实验科学家不得不用手记录大量试验数据，或许还得从米制刻度盘或照相底片上读出数字记录。时至今日，这类数据搜集和分析工作，当然已改由电子仪器和计算机代劳。在宇宙射线的研究领域，这一革新是在同新的核物理科学携手并进中实现的。在威尔逊、黑斯、考尔赫斯特和他们的同事们从事实验时，主要测量仪器是金箔验电器和改进后的沃尔夫电离室。就是利用这种简陋的仪器，他们证实了确定无疑的事实：认识到我们周围的空气持续不断地在低水准上被电离，从而说明了带电物体漏电的原因。但是要想对这种效应进行更精确的定量测量，就需要采用新的工具。最重要的新工具之一，是由在曼彻斯特 (Manchester)的卢瑟福实验室工作的德国物理学家汉斯盖革(Hans Geiger)设计出来的。1918年，他研制出一台每当粒子穿过它时就咔哒作响的仪器。当今，在公众的心目中盖革计数器已成为辐射测量的同义语。当时， 在推进辐射测量工作上做出很大成绩的威尔逊，正在从事改进另一种实验设备的工作。这台设备对粒子物理学的研究也具有极大的重要性。他研制的这台仪器能把单 个电离粒子的轨迹真实地记录下来。这便是著名的云雾室，几年后又发展出气泡室。这样一些仪器设备，同电子计数技术一起，为后来的半个世纪完全革新了粒子物 理学的研究手段。20世纪20年代巩固时期20世纪20年代，随着空气电离即是问题的关键这一新基本概念的落实，人们对研究宇宙辐射的兴趣猛增。近来发现， 来自核蜕变的辐射，也似乎来源于空间。整个欧洲都在研究这种新辐射，北美的兴趣也很强不久就承认了某些基本结果，但是理解得却不怎样快。广泛深入的气球观 测表明，令人惊奇的是，存在着一个辐射能达到最大数值的高度，但这一高度并不是大气的顶部。假如辐射是从地球以外射进来的，这个事实就难以理解。人们预 期，地球大气层会以递增的方式吸收辐射，而不会是先贡献而后再吸收。有一段时间，设想大气高层必定含有放射性源，但后来清楚了，这种辐射与来自放射性的辐射并不相同，因为穿透力强得 多。在很深的湖面和冰川下面这种辐射也能达到。在隧道中进行测量也表明，虽然强度大为减弱，但岩层下面相当深处还能找到它的踪迹。甚至来自地下天然放射性 的贯穿能力最强的射线，也还是远远赶不上这种辐射的强大穿透能力。到了1925年，大多数科学家都已明白了，这一辐射现象的起源确实是在地球以外，于是 有影响的美国物理学家密立根(R.A.Millikan)给它选定了一个这样的名字宇宙射线。密立根由于作了测定电子电荷的油滴实验而非常著名，那时 仍然认为宇宙射线是具有很高能量的射线，它是当时所知道的贯穿力最强的粒子。这种观点很快就变得站不住脚了。射线同光线一样直线行进。假如宇宙射线就是射线，假如这种射线是我们银河系中 产生的，天空就会出现宇宙射线强度很强的区域，就像有一个明亮的用可见光看到的银河一样。1926年在南美进行的测量表明，无论银河当空与否宇宙辐射的强 度均无差别。对宇宙射线电离强度在地球上空如何变化的仔细测量，推进了对宇宙射线进一步的了解。这种微小变化不是由于天空星象 视角有什么不同，而是与地球磁场有关。磁场对射线不产生影响但对带电粒子却起作用。大约这时人们认识了极光(在靠近南北极的地方天空有时出现的美丽彩色 光幕)是由于来自太阳的高能粒子穿入大气而形成的。地球磁场把这些带电粒子的进程改变成复杂的路径，最终轰击大气产生光辉。南北极附近是地球磁力线向下弯曲进入地球的地方，极光主要出现在地球磁场附近的天空。带电粒子的路径很难跨越磁力 线的方向，宇宙射线势必跟随其后。所以，赤道附近必须横穿许多水平磁力线之处，只有少数粒子抵达地球上。两极附近，磁力线几乎竖直上下，粒子容易沿着磁力 线进入大气，于是导致大气分子发出光辉形成极光。如果粒子能量极高，则很少借助于磁力线，并且在离极地更远的地方就能看见极光。就这样，根据地球磁场的知 识，加上对极光的观测，我们几乎能直接对来自太阳的极光粒子能量进行测算。同样认识到，根据宇宙射线强度随着离极地距离不同而产生的变化，应该得到有关宇 宙射线粒子能量的信息。但对纬度效应的测量并不容易。20世纪20年代所使用的电离室灵敏度已相当高，但是这项实验必需把电离室海运到很 远的地方。要做到测量时仍然保持校准的精确度确实是一种挑战。荷兰科学家克莱(J.Clay)到东印度做过测量后，于20世纪20年代末首次报告了观测结 果。20世纪30年代初继续进行了更复杂的测量。在海平面的高度上，从中纬度到赤道宇宙射线的强度下降了6%；更高的高度上这个效应更显著。宇宙射线中包 含着来自地球磁场以外的带电粒子，这在当今已毫无疑义。但这一效应的特别巨大仍然使人们惊奇。宇宙射线强度随着离极地距离不同而变化，这一效应同全部辐射 都采取带电粒子的形式符合一致，而不是仅仅对射线成分的微小补充。对宇宙射线中带电粒子和射线的相对数的测定，能给出对该效应的进一步检验。因为我们知道地球磁场的极性(南 极在北，北极在南)，所以能预先指出射入的带电粒子如何偏转。自然还有赖于粒子带正电还是带负电。检验的办法是看从西边射来的宇宙射线多还是从东边射 来的宇宙射线多(观测是在赤道附近进行的)。这一东西效应是分别由比利时的乔治勒梅特(Georges Lemaitre)(可能当今人们首先记得他在宇宙学上的贡献)，墨西哥的曼纽尔瓦尔拉塔(Manuel Vallarta)和意大利的布鲁诺罗西(Bruno Rossi)三人预测的。罗西决定寻找这一效应，他确信在赤道附近的高空这一效应最显著，于是作好了实验准备并在东非的一座高山上进行观 测。东西效应是找到了，但是使意大利实验者们非常失望的是，这一发现没过几个月就被在墨西哥城进行的观测击败。还不仅如此，竟然只有勒梅特和瓦尔拉塔的预 测得到信任，而罗西的工作没人提及。这对罗西简直是一次重大挫折。通过找出宇宙射线穿过哪两个计数器，就能确定其到达方向。还能保证宇宙射线穿过实验仪器(例如云室)时，所记录的数据是惟一的。东西效应的观测需要使用盖革弥勒计数管。它是对前面提到过的盖革计数器的改进。有的宇宙射线能穿过数个管而不停下来。把计数管排列成组，仅在特定的联 合下才有反应，以便把单个粒子的路径记录下来。如果列举出在特定直线上被惟一打中的那些计数管，则粒子飞行的方向就可以由计数管的取向来确定。这些计数管 称为在符合中运行。如果计数管的取向反映出入射粒子路径方向是竖直的，则计数将最快。这是最直接的穿透大气的路径，这样的入射粒子遭受到最少的吸收。 人们预期计数率会随着与竖直方向的夹角的增大而减小，事实的确如此。另一方面，这种变化还因计数器的地理取向的不同而不同。在赤道区，存在着明显的东西 效应，清清楚楚地检测到从西边射来的粒子比从东边射来的多。效应本身与预期一致，但测得的极性出人意外。来自西边占据优势的粒子显示，它们并不是原来假定 的携带负电荷的电子，而是携带着正电荷。这个结果消除了许多错误概念，并将证明具有基本的重要性，但是它的真正意义直到种种困惑得到澄清后才认识清楚。粒子与云雾室20世纪的最初30年是物理学产生重大变革的时期。临近世纪之交，有些科学家带有结论性地认为，除了在各个基本常 数的小数点后面再增加几位数字外，物理学中已无事可做。他们不能再犯比这更大的错误了。随着新世纪的到来经典物理学大厦土崩瓦解，德国物理学家马克斯普 朗克(Max Planck)在原子物理学中的工作浮现出第一个革命信号。他为了对被加热物体的光谱作出解释发展了一种数学技巧。一条光谱就是光中颜色的详细分布，就像 我们在彩虹中看见的那样。热的物体能变成红热，更热的物体能变成白热。颜色变化是我们解释被加热物体随温度增加其光谱发生变化的说法。普朗克的数 学理论假定，光线是以具有特定能量的分立团块(后来叫做量子)的形式产生的。因为物理学家以往都是假定光的特性是连续的，所以这确实是个新概念。阿尔伯 特爱因斯坦(Albert Einstein)几乎立即指出，这种量子不仅只是数学计算上方便，光线确实是以能量包的形式存在的。它们就是光子。从频谱一端的无线电波，到中间的可见光，直到远在另一端的射线，全部电磁辐射形式都能用光量子进行描述。在 日常生活中，当我们利用光或无线电波时，就正是用着一个一个的单个能量包，只因为光量子非常小所以通常不需要考虑整个能量是由大量能量小包组成的。因此， 从实际效果看，平常可以完全忘掉光子的存在。例如一只灯泡每秒钟发出千百亿亿个光子，似乎看到的是连续的能量流。令人感兴趣的是，艾萨克牛顿 (Isaac Newton)在17世纪就曾主张光是粒子组成的概念。这一被称做微粒说的理论，在18世纪似乎已被证明光是波动现象的令人信服的实验所驳倒。到了 20世纪，物理学家发现，光的某些特性常常需要当作粒子的集合，而有些特性往往需要看成连续的波动。当人们发现很自然地被看成粒子或物质团块的电子也具有 波动性后，兼有粒子和波动两种特性的这种令人惊奇的事情又得到进一步的认识和理解。毫无疑问，那段时期物理学家的世界观经受到最伟大的激变之一。那次物理学革命中的另一个组成部分就是空间和时间概念的根本修正。我们对自己相对于地球上或宇宙中的其他物体所处 的位置以及空间的含义，有一种直觉的认识。当我们对于其他物体处于相对静止状态时感到舒适平静，这样的位置状态能被惟一确定。我们对于永无止息均匀前进的 时间和关于时间本身也具有一种直觉的认识。但是，当物理学家们接受了本世纪初爱因斯坦的狭义相对论的冲击之后，也把这些通常的空间概念和时间概念放弃了。狭义相对论是个带有根本性的理论，对很多物理学家来说，这个理论已成为计算物体运动与相互作用方式的日常工具。当 我们与周围的日常环境打交道时，它给予我们可资利用的直观回答，对于更加极端的环境条件下的事物行为，它也能提供正确答案。这个特殊理论起码继承了不少 19世纪物理学的成就。其中的方程式早就知道了，但是也有同量子概念类似的情况，那时并不理解它对物理学的根本意义。最终是爱因斯坦指明了那些方程式不仅 是数学上的方便，而是空间与时间实际上结合在三维空间和一维时间构成的不能解脱的四维联合之中。更令人惊奇的是，这些空间和时间的维度能够互相转换，时间 可以转换成空间，反之亦然爱因斯坦又指出，为了保留某些神圣不可侵犯的物理学原理即能量守恒定律和动量守恒定律有些直观概念必须放弃。质量本身不 再是固定不变的而是能转变成能量。能量可以变成物质，物质也可以变成能量。能量的旧概念必须加以扩大，应当把与质量相联系的能量成分包括进来。质量与能量 的这种关系，对于理解宇宙辐射的观测特性，事实上是极端重要的。再回过头来谈威尔逊和他在物理学中的第一爱好云雾。1894年，威尔逊在英国岛屿中最高点尼维斯峰(Ben Nevis)峰顶的一个天文台上，度过了几个星期。在那里看到的云雾现象使他着迷，打算在实验室条件下对这种现象进行研究。我们知道他在这次实验之前探讨 过，把潮湿空气装进试验腔再迫使其膨胀。这个过程造成空气中水蒸气变成过饱和，并以空中形成云雾的同样方式凝结而成细雾。凝结过程通常需要有细小粒子或 核心的存在，以便充当水滴形成时的种子。空气中自然包含着的尘埃颗粒平常就承担了这一任务。威尔逊发现，如果把这种实验室制造的云雾沉到腔底，除去尘埃颗粒，则经过几次形成云雾膨胀过程之后，尘埃颗粒就全 部除去，这时在缓缓膨胀后的空气中就不会再形成云雾。在实验室中进行这种现象的研究很不容易，因为随着膨胀的发生腔中空气立即冷却(正像空气烟雾剂发出的 气体能使你的手指变凉一样)，而随后热量由外界传进来，腔中空气又变热。威尔逊制作了一台能快速膨胀的特殊仪器，从而他可以对付热流的慢慢流入。尘埃除去 以后，直到空气膨胀到至少达到1252倍，完全不见有云雾出现。在更大的膨胀后静止下来(高达1375)，威尔逊看到出现了一场水滴小阵雨，在更大的膨胀 后甚至没有尘粒也同样形成稠密的云雾。这便是威尔逊在尼维斯峰时最初发生兴趣的那种现象。威尔逊的注意力集中到出现稳定的雾滴阵雨的这个中间阶段。他认识 到，这里肯定标志着有引起雾滴阵雨过程形成的微小核心在稳定地产生。1895年对物理学来说是极其重要的一年。那年11月德国物理学家W伦琴(Wilhelm Roentgen)发现了X射线。在短短几个月内全世界多次重复进行了他的观测。当时，威尔逊正在剑桥卡文迪什实验室伟大的实验物理学家JJ汤姆逊手 下工作。早在1896年年初汤姆逊就亲自用X射线做过试验。威尔逊取得汤姆逊的允许，利用他的仪器对过饱和蒸汽中所发生的效应作观察。他惊喜地看到，当空 气膨胀后还同以往一样仅仅出现稳定的小阵雨时，X射线(能导致电离)立即使他的腔室中充满了浓雾。先前降雨已揭示了腔室中自然电离的存在，其中有些是 由于当时未知的宇宙射线引起的。是带电的离化原子代替了尘埃颗粒充当发生凝结过程的核心。威尔逊的兴趣一度转移到空气传导性的测定上，但是1910年左右，又回到雾滴的产生问题。这时，由于卢瑟福及其同 事们的贡献，放射性的本质已经更清楚了。当时人们已经知道射线和射线由带电粒子构成，威尔逊向自己提出这样的问题：这种带电粒子的轨迹是否能由它们通 过空气时产生的离化原子上凝结的雾滴进行跟踪呢?他为了尽量设计出产生、照亮、拍摄这种轨迹的最佳仪器设备，耗费了大量时间。在出色地完成这项设计之前， 他决定无论如何先试试看，当他把X射线照射进腔室中时，获得的回报是确实看见了纤弱的轨迹。他还查看了粒子产生的轨迹，并把照片拿给当时的粒子专家布 拉格(W.H.Bragg)看。当时，布拉格刚在不久之前出版了一部通过间接方法推断出来的展示粒子轨迹线类型的图。实际照片和轨迹线图明显相似。整个20世纪20年代，使用云室技术不断取得一些成功，但直到那个年代末云室技术的辉煌时期才到来。我们已经知道 宇宙辐射比天然放射性的贯穿能力强大得多。关键的问题是为什么会是这样。莫非这种辐射是全新的现象，或者只是电子、粒子和射线这些已熟悉粒子的更高能 量形式。有一个检验办法是，把云室放进强磁场中，来观察宇宙射线通过时的轨迹变化。带电粒子在磁场中的偏转总量，随着磁场强度、粒子电荷量和极性以及粒子 的动量(或能量)而变。主要的未知因素就是粒子的能量，这从轨迹的偏转情况就能估算出来。1929年，美国物理学家C安德森(Carl Anderson)和罗伯特密立根就建造了这样一台仪器。这项技术的完善又经过了十年，改进工作是由英国P布莱克特(Patrick Blackett)及其合作者完成的。决定性进展的关键在于盖革计数器和云室的联合运用。最初设置的云室是随时进行记录，不管出现的轨迹是否有意义。然 而，当云室的记录由其上方的盖革计数器检测到粒子而启动时，则几乎每张照片都包含着引人入胜的事物。云室实验很快就指明，电子携带的能量高达10亿电子 伏，比以往所知来自放射性的电子的能量要大1000倍。仅这次观测就足以对这一设计尝试作出高度评价。但是最具深远影响的发现是1932年8月由安德森取得的。当时他正 在加州工学院，是密立根的同事。安德森认识到在英格兰的布莱克特和G欧西里尼(Giuseppe Occhialini)也几乎同时认识到，他拍摄下来的某些粒子轨迹是正电子的，它是与人们熟悉的电子完全相同但却是带着正电的孪生兄弟。这种反粒 子是英国伟大的物理学家PAM迪拉克(PaulA.M.Dirac)不久前刚预言过的。不过当时迪拉克认为他预言的正粒子是质子。安德森发现许多正 电子是宇宙射线与原子核相互作用产生的。然而，约半年后他认识到，有时当光子(射线)撞击原子核时，就会产生一对粒子，包括一个电子和一个正电子。这时 射线的能量显然直接转化成次级粒子的质量和动能，这里的质能转变正像爱因斯坦狭义相对论所指出的那样。正电子的发现和证实反粒子的存在，是物理学史上最 重大的实验成果之一。射线的能量转化成粒子及其反粒子的过程当今称为对产生。云室技术曾有过多方面的应用，直到近些年，仍然偶尔用到。20世纪30年代初期，在作为探索基本粒子特性的工具而 使用时，或许是使用云室的全盛时期。不少实验者创造性地利用云室取得了许多重要成果。云室记录到有些粒子对看来是由电子产生的。人们认识到，在这种情况 下，当电子接近原子核时首先产生一粒光子(射线)，随后产生粒子对。电子发射光子的过程叫做轫致辐射，这是因为电子与原子核相互碰撞后，可以使电子 慢下来，但仍然保有能量和动