AL123 人文社科免费专区文学 2023-01-07

上帝粒子_AZW3_MOBI_EPUB_[美]利昂·莱德曼

内容节选

莫奈的大教堂，或者观察质子的13种方式现在，我们该如何利用这些粒子呢？简单地说，就是要让它们碰撞。既然这是我们了解物质和能量的核心过程，我们就必须深入进去，了解具体的内容。尽管关于这种机器的许多不同寻常的地方，以及粒子被加速的细节可能比较有趣，但我们最好还是先把它们都忘掉。因为加速器的关键在于碰撞。我们观察并最终理解亚原子领域这一抽象世界所需的技能，跟我们认识其他任何事物的过程颇为相似。比方说看一棵树，会经过怎样的环节呢？首先我们需要光，就用太阳光吧。光子从太阳射到树上，并从叶子、树皮、树梢和枝干上反射出来，其中的一部分被我们的眼球收集。我们可以说光子被对着探测器的物体散射。接下来，眼球这个“透镜”把光线聚焦到眼球后部的视网膜上。视网膜感受到光子以后，会对其各种性质进行分类：颜色、明暗、亮度等。这些信息被组织起来后，再传送到在线处理器——大脑的枕骨脑叶，也就是专门处理视觉信息的区域。最终，离线处理器大脑得出结论：“啊，一棵树，多好看呀！”眼镜或太阳镜会把进入眼睛的信息滤掉一部分，于是由眼睛造成的失真就会增加。这些失真最后会由大脑来矫正。现在，把眼睛换成照相机，那么在一星期过后，经过了大量的信息提取，我们会在家庭幻灯片的放映中看到这棵树。另外还可以用录像机把光子反射的数据转换成电子数字信息：0和1。如果想看里面的内容，我们可以通过电视把这些数字信息还原为原来的模拟信息，从而在屏幕上欣赏到那棵树。如果某个人想把这棵“树”发送给在“乌托邦”星球上的科学家同事，也许不用再把数字信息转回到模拟信息，就可以最大精度地把地球人称之为“树”的东西传递过去。当然，在加速器里所发生的一切可没有这么简单，不同种类的粒子在以不同的方式被利用。尽管如此，我们还可以给核碰撞和散射打另外一个比方。一棵树在早上、中午和日落的时候看起来都不一样。莫奈画了大量作品，描绘了在一天中的不同时间鲁昂大教堂入口处的景致，任何一个看过这些画的人都能感受到光线的影响。那么，真相究竟如何呢？对艺术家来说，大教堂有很多真相。每一种体现的都是它自己的真实——早晨曚昽的晨光，正午刺眼的强光，傍晚饱满的霞光。在每种光线下，展示的都是真实的不同方面。物理学家也持有同样的观点：我们需要所有能够获取的信息。艺术家利用太阳的不同光线，我们利用不同的粒子：电子流、μ子流或中微子流——在不断变化的能量条件下。下面就讲讲加速器是如何工作的。关于碰撞，我们所知道的只是什么进去了、什么出来了，以及它们是怎么出来的。在如此之小的碰撞空间里到底发生了什么呢？我们什么都看不到，只有干着急。碰撞发生的区域就好像被一个黑箱包围着。在幽灵般的量子世界里发生的碰撞，其内部细节我们无法观测——甚至不可想象。我们所拥有的只是一个作用力模型，以及一个相关的碰撞物体结构模型。我们看得到进去和出来的东西，并且想知道通过我们的模型是否可以推测黑箱里的情况。在费米实验室的一个针对10岁孩子的教育课程中，我们就让他们触及这个问题。我们拿给他们1个空的方盒子，可以看，可以摇晃，也可以称重。然后，我们把一些东西，例如1个木块和3个铁球放进去，再让学生称重、摇晃、倾斜、听声音。最后，让他们说一说关于盒子里的东西的一切：大小、形状、重量……对我们的散射实验来说，这是一个很有启发性的类比。令人惊奇的是，孩子们常常能够猜到正确答案。让我们还是回到大人和粒子当中去吧。我们说我们想查出质子的大小，从莫奈那里学到的技巧是：要通过不同形式的“光”来观察。质子会不会只是一些点？为了找出答案，物理学家们用很低能量的其他质子轰击靶质子，来检测这两个带电粒子之间的电磁力作用。库仑定律表明，这种力可以大到无穷大，大小与距离的平方成反比。靶质子和加速后作为子弹的质子当然都带正电荷，由于同性电荷相斥，慢质子很容易被靶质子推开，它们永远都不会靠得很近。在这样一种“光线”之下，质子确实就像是一个点，一个带电荷的点。当我们增大被加速质子的能量时，会发现质子的散射方式已经有所改变，这表明质子已经深入了强力的作用范围。现在我们知道，正是这种力使得质子的组成单元聚集在一起。强力要比库仑电力强100倍，但与电作用力不同的是，其作用距离非常有限。强力只在10-13厘米的范围内起作用，一旦超过这一距离很快就会衰减为零。通过不断地提高碰撞的能量，我们逐步发掘出关于强力的越来越多的信息。与能量的提高相伴随的是质子的波长（记住德布罗意和薛定谔）缩短。正如我们所看到的那样，波长越短，我们对所研究粒子的了解就越多。一些最好的质子“照片”在20世纪50年代被斯坦福大学的霍夫施塔特（Robert Hofstadter）拍了下来。那时所用的“光”是电子流而不是质子。霍夫施塔特小组把一束800兆电子伏的电子流对准一小桶液氢。电子轰击了氢原子中的质子，形成了一个散射图谱。相对于原来的运动，被散射的电子......