物理世界奇遇记-第31部分
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看，它的利用效率并不太高。你们知道，在碰撞中，不但能量必
须守恒，而且动量（或者说冲量）也必须守恒。从加速器射出的
粒子具有动量，这个动量必定会转交给碰撞后出现的粒子。但是，
最后出现的粒子如果不同时具有动能，就不可能具有动量。因此，
事实上入射粒子的一部分能量要被扣下来作为储备，以便后来能
够把它转交给新产生的粒子作为动能，使它们带着必需的动量进
一步运动。
“我们这台机器的好处，是它有两束粒子朝着相反的方向相
撞。在发生对头碰撞时，一束粒子所带来的动量被另一束粒子所
带来的大小相同而方向相反的动量抵消掉了。这样一来，两束粒
子所带来的能量便全部可以用于产生新的粒子。这有点像两辆汽
车发生对头碰撞，要比其中有一辆汽车静止不动时的碰撞猛烈得
多，因为在后一种情况下，两辆汽车只不过是像火车脱轨改变了
方向罢了。”
“那么，你是说这里有两台加速器，每台加速器有一个粒子
束了？”慕德问道。
“不，没有这种必要。一个磁场使带负电粒子拐弯的方向，
正好同它使带正电粒子拐弯的方向相反。所以，我们的做法就是
利用同一组偏转磁铁和加速腔，使正粒子沿着一条路运动，而负
粒子则沿着另一条路运动。当然，要想准确地保持相同的轨道，
它们必须始终具有相同的动量，所以，这两组粒子就必须具有相
同的质量，同时具有相同的速度。这就是我们这里采用反向回旋
的电子和正电子的原因。另一种这样的组合是质子和反质子。
“就这样，两束粒子在不同的方向上受到一圈圈回旋加速，
直到它们达到最大的能量。然后它们就被带到圆环上的某些指定
点进行对头碰撞，也就是在这些交点上，我们安放了我们的探测
仪器。”
“照你所说，进行对头碰撞看起来显然是一种出好成果的做
法。那么，你们最初为什么会操心去考虑固定靶呢？”那个年纪
较大的人又提问了。
“要利用这种互相对撞的粒子束有一个困难，那就是很难得
到强度足够大的质子束和反质子束。我们把它们集中成铅笔那样
细的窄束。但即使是这样，当把两束弄到一块时，大多数粒子都
会不碰到另一束中的任何一个粒子就经过交点飞走了。必须采用
极其巧妙的技术把粒子高度集中起来，才能造成相当数量的碰
撞。这项工作是用聚焦磁铁来完成的。这里就有一块，”导游指
着一块外观不同的磁铁说，“它有两对磁极，而不像通常那样只
有一对。”
“不过，我还是不明白，为什么这台机器要做得这样大。”
一位女士问道。
“啊，你应该认识到，一块这样的磁铁所能产生的最大磁场
是有限的。随着粒子能量的增大，它们就变得越来越难以驾驭，
因此，为了使它们的道路封闭成一个圆，就必须使用越来越多的
这种磁铁。但是，正如你所看到的，每一块磁铁都有一定的物理
尺寸——大约是６米吧。这就定下了必须纳入圆圈里的磁铁的数
量——大约是４０００块吧，更不用说还有聚焦磁铁和加速腔了。
而这一切就决定了这个圆的大小。粒子的最终能量越高，这个圆
就必须越大。”
“现在粒子是不是正在加速器中回旋呢？”有一个学生问道。
“天啊，不！”汉森博士喊道，“在机器运转时，任何人都
不许下到加速器隧道这里来的——辐射强度大高了。现在是一个
例行定期关机维修时期。这正是为什么把你们的参观定在今天的
原因。”
她迅速地看了一下手表，接着说：“好了，我们该再动一动
了。请大家跟着我，我要带你们去粒子束发生碰撞的地点。这将
使我们有机会看到一些探测器。”
他们经过一大串似乎没完没了的磁铁走了非常远的路，终于
到达了隧道扩展成一个巨大的地下洞穴的地段。在洞穴中央高高
耸立着一个像两层楼那样大的物体。
“这就是探测器，”汉森博士宣布说，“你们觉得它怎么样？”
他们都适当地发表了感想。
“喂，你们别到处乱跑，”她匆忙地叫住两个正在往上爬，
想看个清楚的学生。“我们不应该打扰物理学家和技师们。他们
正在按照非常严密的计划进行工作。他们的全部维修任务都必须
在这个短暂的停机期间内完成。”
她继续解释这个探测器是怎样围着管道中粒子束的一个交叉
点建造的，“这样做的目的是要探测碰撞后射出的粒子。事实上，
这并不只是一个探测器，而是有好多个探测器，其中每一个探测
器都有它自己的特点和任务。例如，这里有一些透明的塑料，它
们在有带电粒子穿过时会发出闪光。还有一些特制的材料，只要
有一个粒子以大于这种媒质中的光速的速度穿过它们，就会发出
一种特殊的光（契伦科夫辐射）。”
“但是我记得相对论说过，任何东西都不可能运动得比光更
快——光速是速度的极限啊。”有位女士打断了导游的话。
“是的，这确实是个真理——不过，只有当你所想的是真空
中的光速时才是这样。”汉森博士解释说，“当光进入水、玻璃
或塑料这类媒质时，它的速度就会变慢。这就是你能看到折射（
光的前进方向发生变化）的原因，也是你能显示出光谱线所依据
的原理。但是，没有任何东西能阻碍粒子在穿过那种媒质时运动
得比光更快。当发生这种情况时，它会发出一种电磁激波，就像
飞机的速度超过声速时会产生声爆那样。”
她继续描述某些探测器是怎样由含有数千条通电细丝的充气
室构成的，“当带电粒子穿过这种充气室时，便会从气体中的原
子中撞击出一些电子（也就是使这些原子发生电离）。这些电子
会迁移到细丝上，而它们的到来便可以被细丝记录下来。通过这
种办法，知道了那些细丝所受到的作用，便可以重新画出粒子的
径迹。再加上一个磁场，又有可能从不同径迹上出现的曲率测量
出粒子的动量。
“然后，这里还有些量热计。因为它们是依照中学自然科学
课中测量能量的热学实验所用的量热计做的，所以才这样叫它。
这里所用的量热计可以测量出单个粒子的能量或者相邻的几个粒
子束的总能量。
“知道了粒子的能量，再把它同从粒子径迹的磁曲率导出的
粒子动量结合起来，就可以辨认出从初始相互作用中射出的粒子
的质量。最后，量热计的外面，还有一些专门用于探测μ子的探
测室。μ子像电子一样，是不受强核力作用的粒子。但它同电子
不一样，不会轻易通过发射电磁辐射而失去能量（因为它大约比
电子重２００倍）。因此，它可以强行穿过大多数障碍物而几乎
不发生什么变化。正是这种性质，使我们很难探测到它。外面的
μ子探测器填满了密度很大的物质。任何能够穿过这种物质的粒
子就必定是μ子了。
“所有这些不同类型的探测器，就像一层层圆筒形的洋葱瓣
那样，把加速器管道要发生碰撞的那个地段包围起来。它们必须
像一组巨大的、犬牙交错的三维七巧板那样，很好地安装在一起。
总的说来，这个结构有２０００吨重。”
“不过，这一切都只有在加速器开动时才会发生，对吗？”
汤普金斯先生说。
“当然啦。”
“但是，既然在它开动时任何人都不许下到这里来，那么，
科学家们又怎么知道这里发生了什么事情呢？”
“问得好，”汉森博士评论说，“看见这些东西了吗？”她
指着从探测器引出的一大堆交缠在一起的电缆说。在汤普金斯先
生看来，这简直就像个挨了一枚炸弹的空心面生产车间。
“它们从各个探测器取出电子信号，把信号送到计算机。计
算机对所有各种信息进行处理，并重新画出粒子的径迹。这样一
来，这些径迹就可以显示给遥控室里的物理学家们进行研究。这
上面就有一种他们要处理的东西。”
她对着贴在墙上的一张照片点头示意。
“你们过来仔细看看它。然后我带你们去看遥控室本身。”
汤普金斯先生一面跟着别人走，一面又不时回头看看探测器。
由于这样做，他没有注意到一个维修技师卸下的一根电缆正横放
在地板上，他被电缆绊了一跤跌倒了，脑袋重重地撞在地板上……
“天啊，华生，没有时间休息了。快起来帮我一把。”
一个外表穿着很像歇洛克？福尔摩斯的人站在他面前。汤普
金斯先生正想说明他的名字并不是华生，可他的注意力却被那个
探测器弄乱了：探测器正在朝四面八方喷出许多粒子！这些粒子
全都在地板上滚来滚去。
“快，把它们给我拣过来！你能拿多少就拿多少。”
汤普金斯先生四周环顾了一下，想找到汉森博士和参观团的
其他人，但是哪里也看不见他们。他下结论说，他们必定是丢下
他到遥控室去了。真是怪事啊！不过，再过一阵子，他们想必会
回来找他的。这时他想，他还是迁就一下眼前这个穿着可笑的狂
人为妙。
他捡起一大把粒子，把它们交给自称福尔摩斯的那个人，后
者正在默默地俯视着在地板上摆开的几个整齐的粒子阵列。汤普
金斯先生认出它们是熟悉的ＳＵ（３）表象的六角形。
“得，自旋等于１／２的有那么多。现在该是自旋等于３／２、
Ｂ＝１的粒子了。”福尔摩斯伸出一只手说。
“对不起，请再说一遍……”
“自旋等于３／２和Ｂ＝１的粒子。快过来，亲爱的朋友，
我已经做了些别的了。”
汤普金斯先生完全给弄糊涂了。“我怎么知道……”
“看看这些标签。”那个大侦探厌倦他说。
一直到这个时候，汤普金斯先生才注意到，每个粒子上都贴
有一个小小的标签，标签上列出该粒子的各种性质。他在粒子当
中挑选了一下，把那些标明具有自旋等于３／２和Ｂ＝１的粒子
交给福尔摩斯，后者随即弯下腰把它们在地板上摆开。在重新进
行了某些调整以后，他拉过一把椅子，坐下来研究它们。
“好了，华生，”他喃喃他说，“你是怎样看待它的？让我
听听你调整这种局面的意见。”
“它看起来像个三角形。”汤普金斯先生注视着面前的图形，
鼓起勇气回答道。
“你是这样看的，是吗？作为一个有自然科学头脑的人，你
在识别某种不完整的事物时就作出这样的结论？”
“对了，它底边的一个顶点不见了。”
“完全正确！正像你机敏地观察到的，这个三角形并不完整。
它少了一个粒子。我有可能得到最后那一点吗？”
福尔摩斯仍然俯视着那个图形，又一次伸出他的手向汤普金
斯先生要东西。
汤普金斯先生再次在粒子当中翻来翻去，却得不到什么结果。
“对不起，福尔摩斯。我大概是找不到它了。”
“哼！但是我依旧相信，在我们这个方向上可能有另一个粒
子。根据我们暂定的假说，你认为那个失踪的粒�
