高能物理之历史.1

by kosmos on 9月 5, 2008

从某一个角度上看到话,会发现我们人类身处这个宇宙的一个极端:
这个宇宙里面能量的极小变化,只对人类的生命自身有意义,所有的生命,特别是人类的大脑,都只能在极小的温度范围内,才能正常存活;而极小的能量变化,也只有在物质组成从分子到生物大分子、以至于细胞和生命体系的序列中,才是具有决定性意义的。
然后,当我们从自身存在所处的这个物理处境,往更大的能量变化的地域看过去,就看到了失去外层电子的离子,看到了原子核,看到了质子中子电子光子…同时,也看到了太阳系、黑洞、伽玛爆、银河系、本星系团、本超星系团、…一直到我们现在的物理学所能想象的能标极大处-普朗克能标,大概是10的19次方千兆电子伏特。

所以,从能量的意义上,人类自身其实处于宇宙的一个极端:能量标度极小的场合。
那么高能物理,就是人类从自身的能标极小朝向能标极大的目光之延伸。

这个系列,就是试图叙述我们目光延伸过程中的那些重要的事情。

1,X射线的实质
伦琴发现X射线时,距离麦克斯韦完整论述电磁场理论已经20多年了,但仍有相当一部分前沿物理学家,不仅是实验物理学家,并不是完全掌握了电磁场理论。
例如,伦琴、伟大的统计物理学家玻耳兹曼、FitzGerald、Lodge等人,都倾向于认为X射线是作为光的传播介质的以太的纵波。
伟大的洛仑兹也含糊不清,只有汤姆逊等少数人正确理解为作为横波的光。

x射线的发现纯属偶然,因为伦琴及其助手,只是在研究当时很流行的阴极射线,当然是受到赫兹及其学生勒纳的工作的吸引。当时他们所使用的鲁姆科夫感应线圈和西托夫真空管,只要一开机,就都已经在产生X射线。只是不幸的是,勒纳甚至也用上了荧光物质和发现了照相底片被曝光,但他却不知出于何种考虑,而使用了厚厚的铅材包裹真空管,而幸运的伦琴只是简单地用黑纸板!

2,贝克勒尔并非偶然的狗屎运
据贝克勒尔在1903年的回忆,他在伦琴于1896年1月1日公开其发现X射线的论文20天后,法国科学院针对此发现而召开的会议上,深受激励,他运用其实验家的思维方式,与会议的报告者彭加勒有大致如下的一段对话:

贝:伦琴的射线是从哪里发射出来的?
彭:真空管壁上的最亮的荧光点,应该就是X射线发射出来的源头。
贝:X射线是否来自荧光物质的照射激发?是不是其他荧光物质,只要被照射,就可以发出X射线呢?

贝的这个推测估计是和彭想到一起了,10天后彭写了篇文章,提出:是不是不管什么荧光,只要强度够高,就会产生X射线?
也有可能想到这点的,并不只是贝克勒尔一个人。很快,就有了很多人去找各种能够发荧光的物质做实验,试图发现X射线,甚至有人收集萤火虫。。。

贝克勒尔想到当然就动手!托祖上之福,他在采用某些磷光物质失败之后,马上选择了铀盐,因为从他祖父开始,就研究荧光现象,而他父亲恰好研究过铀盐,他自己在15年前就因此而制作了很好的铀盐片(磷酸铀铣钾)。
贝克勒尔的运气还不仅仅是这些。
他的第一次实验是仿照伦琴的思路,用太阳代替阴极射线,暴晒铀盐和被黑纸包裹的底片,结果不甚稀奇,底片被曝光了。
第二次实验,很不凑巧,巴黎连续阴了好些天,没有了太阳的暴晒,贝克勒尔可能是心不在焉,也可能是别的什么原因,总之是不可考了,他仍然拿出底片冲洗,很震惊的发现,没有太阳也一样!
于是,开启20世纪的原子核放射性就这样被发现了,看似纯属偶然,但,也是必然。
因为一切工具和材料,都已经是现成的了。

所以,尽管X射线和放射性,完全是牛马不相及的两回事,但是,为了研究甲,而突然发现乙,这样的戏剧性情节,在现代物理学史上,并非孤例!倒是很常见呵呵!
所以,尽管LHC马上要开机,大家都等着找到希格斯子,但内心也对发现点什么别的从未预计到的什么,也是有所期待的。
这其实是一种谦逊的美德。

3,居里夫人是真正伟大的物理学家。
为什么这么说呢?不要说她是女性,然后假惺惺地说一个女性如何如何…忘记她的性别,作为一个物理学家,她确实是伟大的。因为,她敏锐地盯住了放射性现象。
要知道,即使贝克勒尔的发现轰动一时,但也远远不及X射线的发现所带来的后续研究热潮。因此,没多久,就没有多少人再关注铀的放射性现象了,包括贝克勒尔本人,他也干别的(塞曼效应)去了。
但这时,居里却对她丈夫说,“研究这种现象对我好像有特别的吸引力…我决定做这个…为了超越贝克勒尔的工作,我必须采用定量的方法。”
她一定是感觉到了放射性现象里面隐藏了远超出时人想象的秘密。

4,居里夫人的惊人洞察力
不追风还只是居里夫人的第一个超越众人的表现,她的伟大随后就接踵而至。
既然是要定量研究,居里夫人很自然地选择了电学研究路径,即在一个电磁学研究环境中来研究放射性,因为当时已经能够做到非常精确地测量各种电磁学量,而贝克勒尔式的用照相底片做曝光实验,没法定量。
于是她模仿了当时汤姆逊(J.J.Thomson)用来研究X射线的一个实验设计:用一个8cm直径的平板电容,在其板上抹上一层具有放射性的铀盐,由于猜想放射性会类似X射线那样,导致电容漏电,就可以通过测量漏电率来把放射性的强度给定量下来。
放射性确实能够使得电容漏电,所以这个实验很顺利。居里夫人用的平板电容,其两块平板间距3cm,之间加上的电压为100伏,再弄一台静电计,就可以很好地做这个实验了。
通过不断地在平板上抹不同的物质,很快,居里夫人就得到了明确的结论:
(1)除了各种铀盐,钍的氧化物也具有放射性,因此,“放射性”这个概念第一次被明确起来,即,不是铀的某种特性,而是一种广泛的很多物质都具有的自然现象:发射出同一种射线。
(2)放射性来源于物质的自然发射,该物质含量越多,放射性强度就越大。尽管居里夫人还不能肯定这是一种正比关系,(因为放射性强度还会受到抹到板上的放射性物质厚度的干扰),但她立刻地、毫不犹豫地,仅仅在9个月的时间里就得到一个结论:放射性是来自单个原子的特性。这是一个物理学历史上无比伟大的直观结论!
(3)甚至在她的第一篇关于放射性的论文里,她就指出:放射性是一种发现新物质的方法。尽管得到这个结论的直接来源,是因为她发现一种沥青铀矿具有的放射性强度远远超过金属铀本身,导致她不得不怀疑是另一种新的物质,或者更加直接地说,是一种新的元素,具有比铀更强的放射性。但这个思路里面隐含的概念就是她在9 个月后明确宣布出来的结论(2),放射性是一种单个原子层面的现象。

要明白这个直观何以伟大,只要知道当时几乎所有前沿的物理学家,都以为贝克勒尔所发现的铀盐放射性,大概和X射线一样,又一种光线而已!
例如,几乎一直正确的S.P.Thompson,毋庸置疑地伟大的彭加勒,等等。。。

5,卢瑟福上场
要理解居里夫人的超群之处,就得明白当时的知识状况。
在卢瑟福上场之前,大家还都不知道原子到底是什么,只知道物质都是由原子组成,而原子只是一种抽象的物质基元,就像积木块,呃,这是2千多年前古希腊人就已经提出来的,科学革命迄至当时,只是进一步发展了元素的概念,然后基于元素、原子的观念,发展了化学。
化学嘛,就是瓶瓶罐罐,运用物质量(摩尔数)的概念,精确测量反应物比例,拿煤油灯酒精灯就可以烧出来的科学,呵呵,没有贬低的意思,只是说,化学所涉及到的能量大小,只是我们日常生活中常用的能量大小,今天我们知道,就是仅仅足够打碎分子的能量。
也就是出于这样一个知识基础,居里夫人提出放射性来自单个原子的属性,这是一个极其大胆的猜测!因为那时候,对于单个原子的属性,可以想象的,还只有质量、离子电荷(化学价),再来一个在电磁场里面可以测量到的质荷比,这些量,都不涉及原子的内部结构的概念,而只是把原子当成忽略其内部结构的小球即可。几乎同时,电子的概念,尚处于若明若暗之中。
放射性,当时也不明确到底是某种光,还是其他什么奇怪玩意,如果要理解为单个原子的属性,则显然只有基于原子的结构理论,才能加以理解。
接下来,就该以卢瑟福为主角了。

1934年7月4日,居里夫人死于因长期辐射和劳累导致的贫血症,时年66岁。

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