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高能物理之历史

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:
这个宇宙里面能量非常小的变化,对人类的生命自身具有极大的意义。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;而正是这极小的能量变化,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,构造出整个宇宙最复杂的物质体系。
然后,当我们从自身存在所处的这个物理处境,一路采用越来越大的能量,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,人类自身的构造,其实处于宇宙的一个极端:能量变化极微而极精。
那么高能物理,就是人类使用或依靠越来越大的能量,撕裂出的宇宙景观。

这个系列,就是试图叙述迄今我们这个撕裂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,为卢瑟福热场
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。

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,讲讲就住在我家里的基本粒子。

何谓基本粒子?就是我们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和审慎的,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。

8.插播广告!

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。
所以,本质上不存在玻尔所谓的经典世界,世界是唯一而无需被隔断的,能否走出自己所画的牢房,只在于我们是否忍受鸵鸟姿态。

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。
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。

如果,我们同时观看到自己所处的日常世界,与构成这个日常世界的可能性微观世界,囧,这会是一种什么样的局势呢?大家自己想象好了...
在这样一个局势下,可以期望,我们的日常世界可以作为一个背景板,而在这个背景板上,有可能捕捉到来来往往的重重身影,它们正是来自微尺度世界粒子的行动剧舞台,被投射到我们的感知背景板之上。
在20世纪之前的化学和电磁学里面,就有很多的这类身影。

9.厨房魅影
在18~19世纪的化学家的典型实验记录里面,充斥了如下这类记录和成果:
1克氢和8克氧,做成9克水;
1克氢和35.5克氯气,做成36.5克氯化氢;
...
很像是一本记满配料表的菜谱,确实,那个时代的化学家要给自己盖一个实验室,很简单,就和增加一个厨房一样简单,有火,有瓶瓶罐罐,有勺有刀叉...就齐活了。但,正是在这样的厨房里面,化学家们第一个捕捉到了来自微观世界的角色的身影。

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