高能物理之历史。2

by kosmos on 9月 25, 2008

6,基本粒子就在我家里
卢瑟福是该上场了,但,在我讲述他眼花缭乱地玩弄阿尔法射线以探测原子内部结构之前,得花开又一枝,讲讲就住在我家的基本粒子。

何谓基本粒子?就是我们现在不知道其内部结构的粒子。
一个乒乓球,如果你不知道它的内部结构,只知道外面看起来,是带色的,不是很重。。。那你也可以称呼它是基本粒子。
可惜的是,你还看到什么别的东西,是由乒乓球垒起来的吗?
没有?没有那就没意思了。
除了乒乓球,我们每个人的每天,都与至少两种基本粒子直接生活在一起,光子和电子。
你每天早晨睁开眼睛看到了新的一天,那就是光子射进你的眼睛,打到你的眼球视网膜上了…
然后你抓过手机,看到一条新短信,那就是光子射到你的手机,带动你的手机肚子里面的电子流动,连锁反应直到你看到短信显示在屏幕…
但是,你会说,我哪里看到了什么基本粒子,什么光子电子啊。。。
是的,你没“看到”。在我们的日常生活中,有无数的角色,都是我们直接看不到的,除非我们使用更高的能量,更精巧的技术,才能逼迫它们单独地闪亮现身于无比繁杂的存在之舞台,更主要的是,现身于你眼前!

先不说光子。
尽管光出现在我们日常生活当中的几乎每个地方,但人类自从学会使用火来烧烤牛排以来,就没有人敢于拿手指放到油灯上燃烧,那一点光,足以猝然终止你的手指上的一切生命活动,使得一切成为碳,成为灰!因此我们一出生就默认了,光,以及发光的物体,都涉及到“高能”的过程,这个所谓的高能,当然就是指相对我们自身生理活动的能量水平,例如你再发高热发高烧,都发不出火与可见光来。。。萤火虫?先不管。
确实,要迫使光线在我们眼前的表现像单个粒子,观念上,是一直到随后几十年里才逐渐被迫接受的观念;实验上呢,更是一直到20世纪后半世纪,人类发明激光之后,才能在实验室真正实现的实验。
历史上,最先被迫以粒子形式现身的,是电子。

7,关于电子的连续剧
照理说,电子要被我们认识到,应该是容易得多了,因为我们人体运行的基本机制,就是电子的流动。不对!是电荷的流动。
这就是问题之所在,在很长一段时间里,我们并不是必须要掌握电子的概念,也并不是非得要看到作为一种基本粒子的电子的存在,而只需要看到作为一种现象的电荷的存在,就足够轻松地理解主导我们日常现象的电磁现象了。所以,尽管从17、18世纪,人类就开始了具有科学意义上的对于电磁现象的研究,但一直到19世纪末年,汤姆逊总算是赶在20世纪来临之前夜,告诉大家,存在电子这么一种基本粒子。
为什么?因为能量。
人们最早获得单独电子束所使用的工具,是真空阴极射线管,而一根长30厘米,直径2.5厘米的玻璃管,内部真空度为0.01厘米汞柱气压,两端放入电极,要使得它放电产生单束电子流发射出来,至少得加上1千伏的电压!
1千伏对于今天的我们而言,似乎不算什么,窗外的高压电线动则几万几十万伏,家里的很快就要成旧式的电视里头,附着在显像管后头的高压包也能产生将近2万伏的高压,(呵呵,这个高压包提供的高压正是用来给电子加能量的!)但是对于19世纪的人们,可是一门高精尖技术。

真空阴极射线管要好用,也就是说,要能够放电发出辉光,需要两个条件,一个是得有给管子抽真空的技术,另一个就是给电极加高压的技术。
尽管17世纪就已经出现了抽真空的专门器具,但是直到德国波恩的一个吹玻璃的工人师傅盖斯勒(Geissler),发明了一种后来被称为盖斯勒泵的真空泵之后,才使得真空玻璃管的真空度达到0.1毫米汞柱。这种泵的核心原理和日常的水银温度计类似,巧妙地利用了水银在玻璃管里能够形成很好的真空的特性,反复稀释和抽走容器里面的空气。看得出,这是一个典型的能工巧匠的设计成果。
Heinrich Geißler,Heinrich Geissler,Geissler pump,盖斯勒,盖斯勒泵
要给电极加上1千伏的电压,正好,德国的高级技师鲁姆科夫发明了这样一种能够输出1千伏的变压器:

相比盖斯勒,鲁姆科夫应该算更高级些的技师,呵呵,如果按照技术复杂度来衡量的话。
鲁姆科夫变压器技术上的特点这里就不赘述了,其详细介绍见这里:
H.D.Ruhmkorff,感应线圈,鲁姆科夫线圈
技术工人与发明家在科学史中所起的作用,是另一个有趣的话题,这里就先不叉开谈了。

鲁姆科夫变压器对于整个二十世纪都是意义非凡的,因为赫兹用它验证了电磁波;伦琴用它发现了X射线;马可尼用它发明了无线电报;汤姆逊用它发现了电子,等等等等,这种变压器,是当时世界上所有做电磁实验的物理实验室的必备关键设备,只有用它获得的高压,才能使得我们在20世纪进入电力世纪以及信息世纪。
当然,现在学电磁学的人可能会对它不屑一顾,因为它就是一个依靠反向开关来产生脉动直流,从而感应出高压交流的小变压器而已。
只能这么说,没有麦克斯韦,再堆积一百个鲁姆科夫也没用;有了麦克斯韦,20世纪就是命中注定的了。尽管赫兹、伦琴、马可尼并没有完全掌握麦克斯韦理论,但,有一个理论在前面指出会有什么,就不是一堆技师在黑暗中摸索所可比的了。

好了,器材准备好了,电子在哪里?
实际上,对于电磁学来说,电子并不是一个必需的概念,有了电荷的概念就足够了。因此,电子的概念,不是来自电磁学理论,而只能是来自实验的发现。
法拉第就是这么看的。
他所发现的电解定律,应该说,是电子留给人类的第一个华丽背影,但是,你也可以认为那是离子的大头照。
所以,法拉第在总结他的电解研究时说,“尽管我们不知道原子到底是什么,我们不一定要顽固使用小粒子之类的观念,那只是我们的想象。…有大量的事实表明,电力现象与物质的原子概念紧密关联,原子的许多惊人特性源于电力,例如化学亲和力就是一种电力。…我必须承认,我在说到原子这个词汇时,是非常小心的,因为尽管可以轻松地说这个原子那个原子,但,实际上要对原子的概念形成一个清晰的理解,非常之困难,当你所谈论的物质是化合物时,尤其困难。”
(Faraday, Experimental researches in electricity, #852,#869)
你看,法拉第对于原子的概念都还是非常犹豫的,因为他是一个彻底的实验家,他只对实验里面获得证实的概念才有十足的把握。

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