中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第3部分
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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γ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γ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。γ射线同光线一样直线行进。假如宇宙射线就是γ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γ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γ射线成分的微小补充。
对宇宙射线中带电粒子和γ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γ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
