【转帖】宇宙飞弹：天体物理学中的高能粒子

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μ介子和π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"——π介子的发现。宇宙射线研究还揭示出μ子的存在，μ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V·F·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。