高能物理历史札记

[yijun]

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。

[yijun]

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。
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：
[img]http://knol.google.com/k/-/-/2qslipiksbfi/iafyee/647.gif[/img]
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，[url=http://knol.google.com/k/-/-/2qslipiksbfi/18]其详细介绍见这里[/url]。
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。

[yijun]

再插个序。

我一直想按照能量的观念，贯通了写整个现代物理学，因为自然界本身是遍在的，只是我们的观念世界里面布满沟壑，经典物理与量子物理的沟壑，引力与量子的沟壑，等等。但一直拖碍至今。
恰好手头借来一本A.Pais的《Inward Bound: Of Matter and Force in the Physical World》(1986)，中译本名为《基本粒子物理学史》，是本长达千页的厚书。然后眼看着LHC要开撞了，就觉得恭逢其会，不做点什么，太对不起某某某某了。
于是决定开写。
心里的意图是写一本严肃的物理书，从浑浑噩噩的日常世界，一直写到迄今最深刻的前沿阵地。但是，那样摆阵肯定会吓住很多读者，也不符合我对于科学的感觉，本来嘛，科学不是什么高深的东西，就是一个个人认知的演进而已。
于是就以这样一种写历史札记的形式开头了。
主要的材料还是来自上面Pais那本书。Pais是一个很不错的物理学家，他做科学史的功夫也是做到了家，不过我还是嫌这本大部头有啰嗦的地方，所以只是拿他的书作为基础的取材处，不足的就另外寻，思路，则完全照我自己的来。

[yijun]

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。

[yijun]

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。

[yijun]

8，你被逮着了！

连续剧时间太长容易造成疲劳，所以插播一个激情广告。
拿一张白纸，你可以随意地涂画你所认为的世界是啥之想法。但是，要获得承认，你必须逮着你所描绘的疑犯，不然局里不会给你发工资。
假设，从此刻2008年9月11日下午3点28分开始，全世界所有的人都停止探索世界到底是个啥的问题，停止一切关于世界本原的实验和一切相关理论活动，高能啊宇宙啊物理研究机构都即刻解散。然后，我们依然可以活下去，估计可以活很长时间。。。
所以，原则上我们只有两个选择：或者什么也不干，或者通过思考来逮着疑犯。欧洲粒子实验室主任当初拟定LHC的规划时，就是面临这样一个选择，或者赋闲，或者造个大大的LHC，逮住希格斯粒子或者别的什么。

那么，为什么我们总是选择后者呢？
因为这样一个事实：即使我们可以画地为牢，使得我们让自己生活在一个可以把握的世界范围里面，但，那个牢其实只是存在于我们内心：它既不能保障我们面对未知世界的安全，也不能保障我们面对自我的幸福感。宇宙是连续而宽广的，我们没法把自己的止步之处，虚妄地看作是世界之边缘。

[yijun]

所以，本质上不存在玻尔所谓的经典世界，世界是唯一的，能否走出自己所画的牢房，只在于我们是否忍受鸵鸟姿态。

[yijun]

得插一句。
迄今为止，这个系列里面我所使用的概念都是不精确的，因为科学的发展从来不是必须基于完全精确的概念，总是一边走一边弄得清楚点。正如前面已经说过的，19～20世纪之交的时候，连原子的概念都是不清楚的，因为没人知道原子是否还有内部结构。
那么关于电子，汤姆逊知道些什么呢？考虑到直到今天，我们都还在等待LHC告诉我们电子的质量是怎么来的，所以，别指望汤姆逊所理解的电子与你的理解一样

[yijun]

在我们动手抓电子之前，最好是先听一句惠勒唠叨了无数次的口头禅，“No elementary phenomenon is a phenomenon until it is a registered（observed）phenomenon。”这句话的言外之意太多，我试着勉强翻译一下：基本事件只有被你抓住，才可以说是一个现象。
这句话如果用粗糙的形式说出来，没有人会注意，因为太一般了，简直就是常识嘛！其实不然。

[huanghuang]

以前问过电子是不是物质？想物质么肯定由元素组成，而元素么肯定有原子核的。电子是肯定没有原子核的，所以肯定不是物质。
到现在，我只是知道以上想法包括问题完完全全是个wrong story，大概是对这些概念存在很大的误解