粒子

高能物理之历史。2

kosmos — Thu, 25 Sep 2008 20:13:58 -0700

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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高能物理之历史.1

kosmos — Fri, 05 Sep 2008 20:47:06 -0700

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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粒子动物园

Yan — Fri, 11 Jul 2008 14:11:24 -0700

The Particle Zoo，专卖手工缝制的以基本粒子命名的毛绒玩具。比如有：上夸克，下夸克，粲夸克，奇夸克，顶夸克，底夸克，光子，电子，中子⋯⋯等等。按照粒子的特性，各个粒子玩具的重量，材料都有所不同。

这些小毛绒玩具应该很受学物理的女生，或者物理男的女朋友，喜欢。我想买个光子，不过看图片似乎不是很好看。^_^