主题：【转帖】宇宙飞弹：天体物理学中的高能粒子

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γ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γ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J·J·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α射线和β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α粒子产生的轨迹，并把照片拿给当时的α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α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、α粒子和γ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。