从一到无穷大-第11部分

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　　回答是：正电子确实存在，它除了带电符号与一般带负电的电子相反外，各方面都与负电子一样。负质子也有可能存在，不过尚未被实验所证实（已于1956年由实验所证实）。
　　正电子和负质子在我们这个世界上的数量不如负电子和正质子多的原因，在于这两类粒子是互相“敌对”的。大家知道，一正一负的两个电荷碰到一起会互相抵消。两类电子就是正与负两种电荷。因此，不能指望它们会存在于空间的同一处。事实上，如果正电子与负电子相遇，它们的电荷立即互相抵消，两个电子也不成其为独立粒子了。此时，两个电子一起灭亡一一这在物理学上称作“湮没”一一　并在电子相遇点导致强烈电磁辑射（γ射线）的产生；辐射的能量与原电子的能量相等。按照物理学的基本定律；能量既不能创造；又不能消灭；我们这里遇到的现象；只不过是自由电荷的静电能变成了辐射波的电动能。这种正负电子相遇的现象被玻恩（Max　Born）描述为“狂热的婚姻”，而较为悲观的布朗（T。B。Brown）则称之为“双双自杀”。图58a表示了这种相遇。
　　两个符号相反的电子的“湮没”过程有它的逆过程一一　“电子对的产生”，这就是一个正电子和一个负电子由强烈的γ射线产生。我们说“由”；是因为这一对电子是靠消耗了γ射线的能量而产生的。事实上，为形成一对电子所消耗的辐射能量，正好等于一个电子对在湮没过程中释放出的能量。电子对的产生是在人射辐射从原子核近旁经过时发生的。图58b表示了这个过程。我们早就知道，硬橡胶棒和毛皮摩擦时，两种物体各自带上相反的电荷，这也是一个说明两种相反的电荷可以从根本没有电荷之处产生的例子。不过，这也没有什么值得大惊小怪的。如果我们有足够多的能量，我们就能随意制造出电子来。不过要明白一点，由于湮没现象，它们很快又会消失，同时把原来耗掉的能量如数交回。
　　有一个有趣的产生电子对的例子，叫做“宇宙线簇射”，它是从星际空间射到大气层来的高能粒子所引发的。这种在宇宙的广袤空间里向四面八方飞窜的粒子
　　有一个有趣的产生电子对的例子，叫做“宇宙线簇射”，它是从星际空间射到大气层来的高能粒子所引发的。这种在宇宙的广袤空间里向四面八方飞窜的粒子流究竟从何而来，至今仍然是科学上的一个未解之谜，不过我们已经弄清当电子以极惊人的速度轰击大气层上层时发生了些什么。这种高速的原初电子在大气层原子的原子核附近穿过时，原有能量逐渐减小，变成γ射线放出（图　59）。这种辐射导致大量电子对的产生。新生的正、负电子也同原初电子一道前进。这些次级电子的能量也相当高，也会辐射出γ射线，从而产生数量更多的新电子对。这个连续的倍增过程在大气层中重复发生，所以，当原初电子最终抵达海平面时，是由一群正负各半的电子陪伴着的。不消说，这种高速电子在穿进其他大物体时也会发生簇射，不过由于物体的密度较高，相应的分支过程要迅速得多（见后面图版IIA）。
　　现在让我们来谈谈负质子可能存在的问题。可以设想，这种粒子是中子获得一个负电荷或者失去一个正电荷（两者的意思是一样的）而变成的。不难理解，这种负质子也和正电子一样，是不会在我们这个物质世界中长久存在的。事实上，他们将立即被附近的带正电原子核所吸引和吸收，大概还会转化为中子。因此，即使这种负质子确实作为基本粒子的对称粒子而存在，它也是不容易被发现的。要知道，正电子的发现是在普通负电子的概念进入科学后又过了将近半个世纪才发生的事呢！如果确实有负质子存在，我们就可以设想存在着所谓反原子和反分子。它们的原子核由中子（和一般物质中的一样）和负质子组成，外面围绕着正电子。这些“反原子”的性质和普通原子的性质完全相同，所以你根本看不出水与“反水”、奶油与“反奶油”等东西有什么不同一一除非把普通物质和“反物质”凑到一起。如果这两种相反的物质相遇，两种相反的电子就会立即发生湮没，两种相反的质子也会立即中和，这两种物质就会以超过原子弹的程度猛烈爆炸。因此，如果果真的存在着由反物质构成的星系，那么，从我们这个星系扔去一块普通的石头，或者从那里飞来一块石头，在它们着陆时都会立即成为一颗原子弹。
　　有关反原子的奇想，到这里就算告一段落吧。现在我们来考虑另一类基本粒子。这种粒子也是颇不寻常的，而且在各类可进行观测的物理过程中都有它的份。它叫做“中微子”，是“走后门”进人物理学领域的；尽管各个方面都有人大喊大叫地反对它，它却在基本粒子家族中占据了一把牢固的交椅。它是如何被发现的，以及它是怎样被认识的，这是现代科学中最为令人振奋的故事之一。
　　中微子的存在是用数学家所谓“反证法”发现的。这个令人振奋的发现不是始于人们觉察到多了什么东西，而是由于人们发现少了某种东西。究竟少了什么呢？　答案是：少了一些能量。按照物理学最古老而最稳固的定律，能量既不能创造，也不能消灭。那么，如果本应存在的能量找不到了，这就表明，一定有个小偷或一群小偷把能量拐跑了。于是，一伙衷于秩序、喜欢起名字的科学侦探就给这些偷能贼起了个名字，叫做“中微子”，尽管他们还没有看到它们的影子哩！
　　这个故事叙述得有点太快了。现在还是回到这桩大“窃能案”上来。我们已经知道，每个原子的原子核约有一半核子带正电（质子），其余呈中性（中子）。如果给原子核增添一个或数个中子和质子。从而改变质子和中子间相对的数量平衡，就会发生电荷的调整。如果中子过多，就会有一些中子释放出负电子而变为质子；如果质子过多，就会有一些质子射出正电子而变为中子。这两个过程表示在图60中。这种原子核内的电荷调整叫做β衰变，放出的电子叫做β粒子。由于核子的转变是个确定的过程，就一定会释放出定量的能量，并由电子带出来。因此，我们预料，从同一物质放射出来的β粒子，都应该有相同的速度。然而，观测表明，β衰变的情况与这种观测直接相矛盾。事实上，我们发现释放出来的电子具有从零到某一上限的不同动能。既没有发现其他粒子，也没有其他辐射可以使能量达到平衡。这样一来，β衰变中的“窃能案”可就严重了。曾经有人竟一度认为，我们面临着著名的能量守恒定律不再成立的第一个实验证据，这对于整套物理理论的精巧建筑真是极大的灾难。不过，还有一种可能：也许丢失的能量是被某种我们的观测方法无法察觉的新粒子带走的。泡利（Wolfgang　Pauli）提出一种理论。他假设这种偷窃能量的“巴格达窃贼”是不带电荷、质量不大于电子质量的微粒，叫做中微子。事实上，根据巳知的高速粒子与物质相互作用的事实，我们可以断定，这种不带电的轻粒子不能为现有的一切物理仪器所察觉，它可以不费吹灰之力地在任何物质中穿过极远的距离。对于可见光来说，只消薄薄一层金属膜即可把它完全挡住：穿透力很强的X光和γ射线在穿过几英寸厚的铅块后，强度也会显著减低；而一束中微子可以悠哉游哉地穿过几光年厚的铅！无怪乎用任何方法也观测不出中微子，只能靠它们所造成的能量赤字来发现它们！
　　中微子一旦离开原子核，就再也无法捕捉到它了。可是，我们有办法间接地观测到它离开原子核时所引起的效应。当你用步枪射击时，枪身会向后坐而顶撞你的肩膀；大炮在发射重型炮弹时，炮身也会向后坐。力学上的这种反冲效应也应该在原子核发射高速粒子时发生。事实上，我们确实发现，原子核在β衰变时，会在与电子运动相反的方向上获得一定的速度。但是事实证明，它有一个特点：无论电子射出的速度是高是低，原子核的反冲速度总是一样（图61）。这可就有点奇怪了，因为我们本来认为，一个快速的抛射体所产生的反冲会比慢速抛射体强烈。这个谜的解答在于，原子核在射出电子时，总是陪送一个中微子，以保持应有的能量平衡。如果电子速度大、带的能量多，中微子就慢一些、能量小一些，反之亦然。这样，原子核就会在两个微位的共同作用下，保持较大的反冲。如果这个效应还不足以证明中微子的存在，恐怕就没有什么能够证明它啦！
　　现在，让我们把前面讲过的内容总结一下，提出一个物质结构的基本粒子表，并指出它们之间的关系。
　　首先要列入的是物质的基本粒子一一核子。目前所知道的核子或者是中性的，或者是带正电的；但也可能有带负电的核子存在。
　　其次是电子。它们是自由电荷，或带正电，或带负电。
　　还有神秘的中微子。它不带电荷，大概是比电子轻得多的。
　　最后还有电磁波。它们在空间中传播电磁力。物理世界的所有这些基本成分是互相依赖，并以各种方式结合的。中子可变成质子并发射出负电子和中微子（中子一→质子＋负电子＋中微子）；质子又可发射出正电子和中微子而回复为中子（质子一→中子＋正电子＋中微子）。符号相反的两个电子可转变为电磁辐射（正电子＋负电子一→辐射），也可反过来由辐射产生（辐射一→正电子＋负电子）。最后，中微子可以与电子相结合，成为不稳定的粒子，在宇宙射线中出现。这种微粒称做介子（中微子＋正电子一→正介子）；（中微子＋负电子一→负介子）；（中微子＋正电子＋负电子一→中性介子）。也有人把介子称为“重电子”，但这种叫法不太恰当。
　　结合在一起的中微子和电子带有大量的内能，因此，结合体的质量比这两种粒子各自的质量之和大一百倍左右。
　　图62　是组成宇宙中各种物质的基本粒子的概图。
　　大家可能会问：“这一回到头了吗？！”“凭什么认为核子、电子和中微子真是基本粒子，不能再分成更小的微粒子呢？只不过在半个世纪以前，人们不还是认为原子是不可分的吗？　而今天的原子表现出多么复杂的结构啊！”对这个问题，我们得这样回答：现在确实无法预测物质结构科学的发展前景，不过我们有充足的理由可以相信，这些粒子的确就是物质的不可再分的基本单位。理由是：各种原来被认为是不可分的原子表现出彼此不同的、极为复杂的化学性质、光学性质和其它性质。而现代物理学中的基本粒子的性质是极为简单的，简单得可以与几何点的性质相比。还有，同古典物理学中为数不少的“不可分原子”相比，我们现在只有三种不同的实体：核子、电子和中微子。而且，无论我们如何希望，怎么把万物还原为最简单的形式，总不能把万物化成一无所有吧！所以，看来我们对物质组成的探讨已经刨到根，摸到底了。
　　2。　原子的心脏
　　我们既然对构成物质的基本粒子的本性和性质已有全面的了解，现在就可以再来仔细研究一下原子的心脏――原子核。原子的外层结构在某种程度上可比作一个缩小的行星系统，但原子核本身却全然是另一种情景了。首先有一点是很清楚的：使原子核本身保持为一个整体的力不可能是静电力，因为原子核内有一半粒子（中子）不带电，另一半（质子）带正电，因而会互相排斥。如果一群粒子间只存在斥力，怎么能存在稳定的粒子群呢！
　　因此，为了理解原子核的各个组成部分保持在一起的原因，必须设想它们之间存在着另一种力，它是一种吸引力，既作用在不带电的粒子之间，也作用在带电的粒子之间，与粒子本身的种类无关。这种使它们聚集在一起的力通常被称为“内聚力”。这种力在其他地方也能遇到，例如在一般液体中就存在内聚力，这种力阻止各个分子向四面八方分散。
　　在原子核内部，各个核子间就存在这种内聚力。这样，原子核本身非但不致在质子间静电斥力的作用下分裂开来，而且这许多核子还能象罐头盒里的沙丁鱼一样紧紧挨在一起，相比之下，处于原子核外各原子壳层上的电子却有足够的空间进行运动。作者本人最先提出这样一种看法：可以认为原子核内物质的结构方式是与普通液体相类似的。原子核也象一般液体一样有表面张力。大家想必还记得，表面张力这一重要现象在液体中是这样产生的：位于内部的粒子被相邻的粒子向各个方向以相等的力拉牵，而位于表面的粒子只受到指向液体内部的拉力（图　63）。
　　这种张力使不受外力作用的一切液滴具有保持球形的倾向，因为在体积相同的一切几何形体当中，球体的表面积最小。因此，可以得出结论说，不同元素的原子核可以简单地看作由同一类“核液体”组成的大小不同的液滴。不过可不要忘记，虽然定性地说，这种核液体与一般液体很相象，但定量地说，两者却大不相同，因为核液体的密度比水的密度大240；000；000；000；000倍，表面张力也比水大1；000；000；000；000；　000；000倍。为了便于理解，可用下面的例子说明。如果有一个用金属丝弯成的倒U字形框架，大小约二英寸见方，下边横搭一根直丝，如图64画出的样子。现在给框内充入一层肥皂膜，这层膜的表面张为会把横丝向上拉。在丝下悬一小重物，可以把这个张力平衡掉。如果这层膜是普通的肥皂水，它的厚度为0。01毫米时自重1/4克，能支持3/4克的重物。
　　假如我们有办法制成一层核液体薄膜，并把它张在这付框架上，这层膜的重量就会有五千万吨（相当于一千艘海轮），横丝上则能悬挂一万亿吨的东西，这相当于火星的第二颗卫星“火卫二”的重量！要在核液体里吹出这样一个泡来，得有多强壮的肺脏才行啊！
　　在把原子核看成小液滴时，一定不要忽略它们是带电的这一要点，因为有一半核子是质子。因