物理世界奇遇记-第16部分

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她说，眼睛故意朝汤普金斯先生那个方向望去。“目前那些研究
者进一步宣布说，Ｘ－粒子在产生之后，便直接参加下面的反应：
X…　＋p＋　—→　p＋　　＋　p＋　＋　π…＋　π…（x）
你们喜欢这种说法吗？”
学生们机械地点点头。但是，在一阵悄悄的交谈之后，有几
个学生开始试着摇头了。
“怎么回事？”汉森博士询问他们，“你们不相信他们得出
的结果是正确的吗？”
经过进一步的讨论，然后有个学生解释说，如果Ｘ－粒子的
Ｂ值确实像他们先前所断定的那样等于－１，那么，在这个新反
应的前后，总Ｂ值是不平衡的，那就是说，这个反应根本不可能
是已经实现的。
“说得好！十分正确。他们确实是在骗人！实际上，Ｘ－粒
子所参加的是下面的反应：
X…　＋p＋　—→　π…＋　π…　＋　π＋＋　π＋　＋　π0（xi）
这就平衡了，你们可以查得出来的。好的，这就是说，你们已经
利用重子数这个概念作出了一个预测——预测出反应　（x）　是不可
能发生的。这也就是重子数这个概念的威力。”她转向汤普金斯
先生问道，“满意了吗，现在？”
他露着牙笑了，并且点头表示同意。
“事实上，”她继续说下去，“Ｘ－粒子就是反质子，通常
用Ｐ－表示它。反质子的质量与质子相同，但电荷和Ｂ值与质子
相反。反应（xi）是质子和反质子彼此湮没的一种典型方式。
“好了。现在我们要得出另一个概念。让我们来试一试下面
的反应——它是永远不会发生的：
Ｋ＋　＋n0　≠→　π＋　＋　Λ0（xii）
如果你们检查一下反应式两边电荷和重子数的总数，就会发现二
边正好符合。但是，我已经说过，这个反应是永远不会发生的。
你们为什么认为事情可能就是这样呢？”
“是牵涉到另外一种性质吗？”慕德提出她的看法。
“是的，你说得对。我们把它叫做奇异数，并用字母Ｓ来表
示它。Ｋ＋的Ｓ＝＋１；Ｐ＋，ｎ０，π－，π０和π＋都是Ｓ
＝０；而Λ０和Ｋ－则是Ｓ＝－１。
“请大家注意，普通的物质——质子和中子——都没有奇异
数。因此，要想产生带有奇异数的粒子，就必须一下子同时产生
两个（或更多个）粒子：一个带有Ｓ＝＋１，另一个带有Ｓ＝－
１（就像反应式（v）和（vii）所表示的那样）。这样，它们的
Ｓ组合相加起来正好等于原来的零。在第一次发现这种新粒子的
事例时——当时还不知道Ｓ，也不知道Ｓ必须守恒，由于这种粒
子总是彼此联系在一起成对地产生，人们觉得这种方式很古怪，
或者说很奇异，所以便有了‘奇异’这个名称。如果我没有记错
的话，我想在你们的小册子里就有一张粒子成对产生事件的照片，
你们可能也想看看它。总而言之，自从发现了奇异数以来，人们
又认证出一些别的性质：粲数，顶数和底数。



“这就是说，我们发现在这些碰撞中出现的每一个粒子都带
有特定的一组标签。举例来说，质子带有正电荷，即Ｑ＝＋１；
Ｂ＝＋１，Ｓ＝０，而它的粲数、顶数和底数统统等于零。
“不过，你们肯定会这样想，这一切都非常美妙，但是它同
寻找质子和中子的结构又有什么关系呢？我先前已经说过，我们
可以通过考察质子的近亲（即这些新粒子）去发现它是由什么构
成的。正是在这个阶段，我们被卷入到一些侦探工作中去。这里
的基本想法是：我们要把具有某些共同性质（相同的Ｂ、相同的
自旋等等）的粒子收集在一起，然后根据它们在另外两个性质上
所具有的值把它们排列起来。这两个性质，一个是我们刚刚谈过
的Ｓ，另一个叫做同位旋，用符号Ｌ表示。这个名称出自表示‘
同等地位’的名词‘同位’，因为事实上某些粒子是彼此极其相
似的：它们具有相同的强相互作用和几乎完全相同的质量，以致
人们倾向于把它们看做是同一种粒子的不同表现形式。例如．质
子和中子就被看成同一种粒子——核子——的两种形式，其中的
一种形式具有电荷Ｑ＝＋１，另一种形式则有Ｑ＝０。至于谈到
同位旋，它们分别具有Ｉｚ＝＋１／２和Ｉｚ＝－１／２（同位
旋这个名称中有个‘旋’字，是因为它在数学上的表现同普通的
旋转非常相似。
“定义Ｉｚ的一种办法是依靠关系式Ｉｚ＝Ｑ－Ｑ－，式中
Ｑ是粒子的电荷，Ｑ－是该粒子所归属的多重态的平均电荷。举
例来说，由于质子的Ｑ＝＋１，而中子的Ｑ＝０，所以它们的核
子双重态的平均电荷是Ｑ＝（１＋０）／２＝１／２，这又意味
着质子的Ｉｚ是Ｉｚ＝１－（１／２）＝＋１／２，而中子则是
Ｉｚ＝０－１／２＝－１／２。
“好了，正像我刚才说过的，现在我们要把一些带有某些共
同性质的粒子收集在一起，并按照它们各自特有的Ｓ值和Ｉｚ进
行排列，比方说，就像这样做……”
汉森博士在图板上勾画出一个粒子阵列的草图。



“这是我们所得到的一种图形：由８个都具有Ｂ＝＋１和
１／２自旋的重子所组成的集团。请大家注意，这是个六角形，
当中有两个粒子，你们都知道，其中包含有质子和中子。在这
样排列以后，我们开始认识到，质子和中子只不过是一个由８
个个体组成的家族中的两个成员。
“现在再看看这个……”
她画出第二个图形。
“这是Ｂ＝０、自旋等于０的介子家族，其中包含有π介子。
像前一个那样，这正好是同样完整的六角形，也是由８个个体组
成的。不过这一次在中心有一个附加的单态粒子。
“那么，我们要用这个图形做什么呢？得到这个重复出现的
相同图形仅仅是一种巧合吗？不，对于数学家来说，这个图形有
一种特殊的重要意义。这是从数学中一个名叫‘群论’的分支学
科得出的结论（到目前为止，群论除了描述晶体的对称性以外，
在物理学中还用得很少）。我们把这个图形称为‘ＳＵ（３）表
象’。‘ＳＵ’是Special　Unitary（特一元）的缩写，　它所描
述的是对称性的本质。而‘３’则表示三重对称性（请注意，当
我们把它旋转１２０°、２４０°和３６０°时，是怎样得到相
同的图形的）。
“除了带来这个六角形八重态图形外，相同的ＳＵ（３）理
论还使我们指望有其他三重对称性的图形。最简单的一种是单态。
在介子的情况下，我们同样有８个个体组成的图形。然后，还有
构成三角形的十重态……”
说到这里，汉森博士的话被敲门声打断了。她改变了说话的
口气。
“得，我们的小公共汽车来了。恐怕我得就此结束我简短的
讲话了。非常抱歉，不过我相信，在以后的讲座里，你们一定会
得到这类关于ＳＵ（３）表象的说明的。”
汽车行驶了很长时间才到达目的地。下车以后，他们发现自
己正在走向一座外观非常简陋的建筑物。
“加速器就在那里面吗？”汤普金斯先生感到有点失望，便
向导游这样问道。
她笑了，但却摇摇头。“不，不是的。加速器在那里的下面。”
她指着地面说：“大约在地下１００米深的地方。这座建筑
物只不过是我们到它那里去的入口。”
进入那座建筑物后，他们乘上了电梯，到底层出了电梯，他
们发现自己正站在加速器隧道的入口处。
“在进去之前，我通常要在这里做个小小的实地演示。你们
可能没有认识到，但是你们的家里都有一台粒子加速器。举例来
说，这里就有一台。”她指着门口的一台电视监视器说，“在电
视机的显像管里，电子从热的灯丝蒸发出来并受到电场的加速，
结果就撞击到前面的荧光屏上。这个电场一般是由２００００伏
的电压降产生的，因此我们说，被加速后的电子具有２００００
电子伏（eV）的能量。事实上，eV是我们这里所用的基本能量单
位。对了，并不是完全用eV，因为这个单位太小了。比较方便处
理的单位是兆电子伏（１０６电子伏，即MeV），　或１０９电子
伏（GeV）。　为了让大家有个概念，我要说，一个质子中的禁锢
能量的大小是938MeV，即将近1GeV。也许我还应该说一下，我们
一般把粒子的质量表示成它的能量当量，而不表示成电子的质量。
这样，质子的质量就等于938MeV/c2。
“你们就要看到的粒子加速器也可以加速电子，不过，所达
到的能量要比这台监视器高得多，足以产生我前面说到的那些粒
子。事实上，我们需要达到上百成千GeV的能量，　这就要求有相
当于1011或1012伏的电压降。但是，我
们是无法产生和维持这样高的电压的——你们只要想想绝缘的问
题就明白了，过一会儿，我会告诉你们，我们是怎样绕过这个困
难的。不过，现在请先看看这个……”
她的手伸进衣袋拿出一个东西，把它在电视监视器的前面晃
了晃。监视器的图像立刻变得模糊不清了。
“这是块磁铁，”她说，“磁场可以用来迫使粒子束拐弯。
这是我们要加以实现的另一个想法。顺便说一下，”她赶紧补充
说，“千万不要——我再重复一遍——千万不要在你们家里的电
视机上做这种磁铁实验。如果是彩电，你们就会把它毁了，最后
得到一个关于磁铁能对电子束产生什么作用的永久性纪念！只有
在像这台监视器这样的黑白电视机上做这种实验才是安全的。好
了，我们进去吧。”
他们走下一条最后通到隧道入口处的过道。隧道的大小同地
下铁路的隧道差不多。对着隧道的入口，有一条非常长的金属管，
它的直径有10～20厘米，管子沿着隧道的全长延伸着。走到它前
面时，汉森博士解释说：



“这是粒子通过它进行运动的管道。由于粒子要走很长的路，
又不应该碰上任何东西，所以管道必须抽成真空，事实上，它里
面的真空度要比外层空间的许多区域更高一些。这里这件东西，”
她指着包着管道的一个（木＋匮）匣子说，“是一个中空的铜质
射频腔。它所产生的电场负责在粒子从旁边经过时对它们进行加
速。不过，这个电场并不特别强，只有后面那台电视监视器中的
加速电场那样大。那么，我们怎样才能达到我们所需要的异常巨
大的能量呢？
“好的，请大家沿着管道看到那一头。你们注意到管道的外
形有什么变化吗？”
他们全都凝视着远方。这时有个年轻人说，“它变弯了，不
过不非常明显。我最初还以为它是直的呢，原来却不是这样。”
“你说得对。这条隧道——连同加速器的管道——都是弯的，
它实际上是个圆形，这整个东西的形状就像是个空心轮胎。这个
管道以及同类性质的其他机器的周长有数十公里。我们在这里所
看到的，只不过是整个圆的很小一段。电子必须沿着这条圆形的
跑道运动。这就是说，它们最后会回到它们的出发点，全都准备
再次经过同一个射频加速腔。它们每一次从那里经过，就再受到
一次冲击而得到加速。这样一来；我们就不再需要巨大的电压降
了。代替它的做法是，我们一次又一次地利用相同的加速腔，对
粒子进行一系列冲击加速，尽管这种冲击是很小的。你们不觉得
这种做法很巧妙吗？”
他们低声地表示同意。
“不过，这又引起了另一个问题。我们必须把粒子的道路弯
成一个圆。你们认为怎样才能做到这一点呢？”
“得，根据你刚才对电视监视器的做法，我猜必须用磁铁来
这样做。”汤普金斯先生提出他的意见。
“对了，这里就有一块。”她走到一块同样把管道包围起来
的大铁块跟前说，“这是一块电磁铁，它的一个磁极在管道上面，
另一个磁极在下面。它会产生一个竖直方向的磁场，使粒子的路
径在水平面上拐弯。瞧瞧这个隧道，你就会看到有大量这种磁
铁，它们全都相同，正好铺成一个圆环，从而使粒子沿着必要的
圆形道路运动。
“下一个问题是：能够使带电粒子的路径偏离直线的磁场大
小取决于粒子的动量，也就是粒子的质量与其速度的乘积。但是
这些粒子在不断受到加速，所以它们的动量也在不断增大。这就
是说，要使粒子的道路弯曲，并使它们总是沿着圆环运动，就变
得越来越困难了。因此，我们就必须这样做：随着粒子动量的增
大，供给电磁铁的电流要不断增大，从而使电磁铁两个磁极之间
的磁场强度也不断增大。如果磁场的增大正好与粒子动量的增大
同步，那么在整个加速期间内，粒子就会精确地沿着相同的道路
运动。”
“啊！”，那位年纪较大的绅士叫了起来，“这一定就是你
们把它叫做‘同步回旋加速器’的原因了。我还一直为这个名称
感到纳闷呢。”
“是这样的，你说得对。这很像是奥林匹克运动会上的链球
比赛：人们使链球一次又一次绕着圆形转圈，而在链球的速度变
得越来越大时，它也把链条绷得越来越紧。”
“那么，我想这些粒子到了某个阶段会被放出去，对吗？你
们最后会放开它们，让它们跑到某个地方去，是不是？”
“实际上，我们并不这样做，”汉森博士回答说，“你说的
是我们过去常用的办法：一旦粒子达到了最大的能量，我们就激
活一块冲击磁铁或者创造一个电场，把粒子从加速器中发射出去。
于是它们就射到铜靶或钨靶上，并在那里产生新的粒子。然后再
用更多的磁场和电场把这些粒子按照它们的种类分开，最后把它
们引导到像气泡室那样的探测器中去。
“采用固定靶有一些麻烦，那就是从可以利用的能量的角度
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