中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第19章
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AGASA检测到的巨型簇射是由双鱼星座方向到达的粒子引发的。在这个事例上碰上了好运气。那里有一个称做NGC315的强射电源，与测得的该宇宙射线粒子到达方向相距约10°角距。红移测量表明这个星系正好就在15亿光年的极限距离处。这个星系因为是惟一的候选者，所以确定为粒子发射源的可能性非常大！
由于在我们的能量超过10^20eV的宇宙射线粒子表中仅仅有两个事例，因此最高能量粒子是在强射电星系的射电瓣中被加速的说法还是不能深信。这是个可恶的逗弄人的线索。很有可能我们恰好被射电星系候选者靠近宇宙射线到达方向所愚弄。可能纯属偶合或者某些假设有错。例如，宇宙射线路径弯曲可能比我们假设的更利害。溢出星系外的星系际空间磁场有可能比我们设想的更强，或者所议论的宇宙射线粒子实际上并不是质子而是带更多电荷的核。我们此时此刻只能这样说，我们认为我们对磁场的估算十分正确，整个蝇眼所测的质量构成结果指出最高能粒子是质子。答案自然是，我们需要观测到更多这类超高能粒子，看是否达到方向能汇集在3C134和NGC315！
X粒子
自从蝇眼粒子与AGASA粒子的细节情况公布以后，以射电星系起源缺乏可信性作为契机，就打开了某些有趣的取代想法的闸门。最使人们感兴趣的一种想法是，宇宙射线根本就不是在星系或脉冲星这类天体中按照传统的那些说法被加速的。我们列举的传统过程是粒子开始只有很少能量而且增加缓慢。而代替的理论却说，超高能粒子是突然冒出来的！这是〃颠倒〃理论的一个例子。它强调说，通过超大质量母粒子的衰变，就直接由原封不动的巨大能量创生出了超高能粒子。换句话说，宇宙射线的能量直接来自衰变粒子的一部分质量。根据爱因斯坦的质能等价原理，这种过程当然符合规律。不过，进行衰变的基础粒子要有极其巨大的质量。电子质量的等效能量仅是511KeV，而质子质量的等效能量约为10^9eV，是电子的约两千倍。我们假设的〃X〃粒子，至少必须具有比电子大1万亿倍的能量才能产生出蝇眼粒子。
企图把数种自然界的基本力统一到用单一种力来描述的某些所谓大统一理论预言说，这些粒子的质量（相应的等效能量）已高达10^24eV的范围！它们是大爆炸之后立即形成的粒子，按照标准理论的说法，它们产生后很快就会衰变掉。不过，人们相信，有一部分X粒子陷进了宇宙时空的〃圈栏〃之中。这类被称做拓扑缺陷的〃圈栏〃，与时空结构中另外的著名〃缺陷〃（黑洞）具有某些共同的特性。
理论还预言到，坍缩中的拓扑缺陷能随时释放出X粒子。然后X粒子自然衰变，将质量转变成若干个能量极其巨大的粒子。这些粒子包括γ射线、中微子、质子和中子。令人感兴趣的是，拓扑缺陷不需要与射电星系或其他一般物质汇集成的天体物理源有什么联系。它们能随机分布在宇宙空间，仍乎从不知道的地方就可以产生出高能量宇宙射线。这样一个理论，与预测宇宙射线到达方向和星系团之间的联系的想法比较起来，确实有其诱人的选择价值。预期单个X粒子能衰变成一群不同类型的各种高能粒子，对于在罕见的宇宙射线极高能量事件中搜寻这类迹象，是对将来实验水平的挑战。实际上，人们期待的是，衰变所释放的大部分粒子将是超高能γ射线。检测器能认证γ射线引发的空气簇射是大量附加物的汇集。因为质子产生的簇射与γ射线产生的簇射有相似性，在其产生的当时，完全可能确认蝇眼簇射和AGASA簇射是由这些奇异的光子样本引发的！
对于拓扑缺陷方案再作一个最后的注解。我们早已指出，在由蝇眼测定出来的能谱图中，在8×10^19eV和最高能量事件之间出现一个宽宽的〃空隙〃。假如新实验搜集到的更多数据并不改变这个空隙，则拓扑缺陷模型的存在地位将会得到加强。这一模型能很自然地预言超高能粒子的产生，而不涉及较低能量粒子。这个理论假定，我们见到的较低能量粒子是在较传统的〃颠倒〃加速过程中产生的。假如颠倒过程决定最高能量粒子的产生的话，就看不到任何能量空隙了。总之，假如我们能观测到有3×10^20eV的粒子由邻近的活动星系发出的话，我们就也能预期观测到能量为1×10^20eV或2×10^20eV的粒子从同类天体发出。
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□ ＇澳＇罗杰·柯莱等/著 车宝印/译
附 录
附录1 相对论简介
20世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦就认识到，我们的时空观并不完善。他是通过分析电和磁相结合产生电磁辐射（例如光辐射）特性的规律得出这个结论的。他认为，如果光在一切测量中具有协调一致的特性的话，在物理学中光速必定扮演着主要角色。特别是，真空中的光速必须不变，无论光源和观察者作什么样的相对运动，真空光速总是每秒钟300000千米。爱因斯坦考虑了当人们在高速运动时会出现什么现象。我们通常会认为，光波的速度因与我们运动的方向相同或相反或取各种中间角度而有所不同。令人惊奇的是，爱因斯坦却认为，即便只用以太理论来分析，事实上也不会是这样。
17世纪，牛顿曾提出过一个相对性的经典说法。当时他主张，作为参照基准的参考框架，无论作什么样的匀速直线运动，都不会对实验（包括物理的运动）产生影响。爱因斯坦认为这说法与他的电磁学理论格格不入，当他试图搞清楚以光速运动的观察者所看到的光波将会是什么样时，他遇到了纠缠不清的情景。于是他清醒地认识到，为了在物理学领域取得协调一致的答案，就不能把空间只是看成供我们生活居住的容器。它还必须具有某些特性，例如人们以高速运动时，时间尺度将会改变，同时空间尺度也会改变。在这个意义上，空间和时间是缠绕在一起的，空间和时间原是同一件事物（空时）不同的相对表现形式。
我们完全清楚，在平常的生活中看不出空间和时间有这种畸变。这是因为我们不涉及已接近光速运动的事物。事实上，相对论性现象的特性由物体速度与光速平方之比这样一个比率来决定。当所研究的物体的运动速度超过光速的1/10时，这个比率才变得重要，因为此时该比率增大到1/100以上。这样的高速领域几乎只局限在高能物理学家们的经验中。由于我们通常不会涉及这样高的速度，所以狭义相对论的许多结论都使我们感到惊奇。实际上，这些结论确实有些复杂（尽管描述这个理论的方程式已经进入高中数学），但早已证实了狭义相对论的完美，并且在处理低速运动时又几乎严格地与我们所熟悉的物理规律一致。
物理学家很少必须采用相对论全部理论概念的情况。这里我们仅限于讨论狭义相对论的两个概念，一个是时间膨胀，另一个是质能等效。时间膨胀是相对论效应的一个特别引人注意的例证，它是首先在宇宙射线中观测到的。我们注意到，在相对论中，空间和时间的尺度随着观察者速度的改变而改变。例如，假定我们测量正向着我们运动的一只时钟所表明的时间，我们就会发现它要比另一只同我们相对静止的正常走时的时钟走得慢些。另一方面，假定我们也以这只运动时钟的速度和它一同运动，它的走时又回到十分正常。我们不会见到普通时钟以光速向我们飞来，但是放射性衰变就像时钟，这是因为放射性物质包含着一个完全确定的时间标尺，也就是它的半衰期。当我们对向我们飞来的宇宙射线μ子作测量时，发现它的半衰期要比在实验室中测出的2。2微秒长很多。在这个意义上，从我们观察者的观点来看，μ子内部的时钟确实是走得慢些。时间进程拉长了，就是说时间膨胀了。
或许物理学中最基本的思想就是能量守恒。滚下山的圆球的〃能量〃随着球体滚动和运动速度的增大而增加。所增加的是运动能量或者称做动能。随圆球速度增大而增加的动能严格的等于在地球重力作用下与球体位置联系在一起的另一项特性的减少（随着圆球在路途中位置的降低）。这后一种特性就是〃势能〃或者称做〃位能〃。如果我们把这个圆球的动能和势能加在一起，我们就得出它的总能量。这个总能量是一个固定不变的数值。物理学告诉我们，这个总能量是不会改变的，也就是说不会无中生有或从有变无，能量只能由一种形式变到另一种形式。这就是能量守恒。
过了许多年，这条珍贵的守恒定律必须扩充，把像热这样的一些其他现象也得合并进来。这一层已经得到了很好地理解和接受。现在再来考虑核裂变时所发生的情况。前一秒钟尚且在那里的原子核，下一秒钟就飞散开。突然就出现了原来并不存在的动能。这里必须对计算总能量的明显增大提出另外的说法。仔细地计算表明，碎裂的核的质量比原来的质量少，多出的能量与失去的质量之间的关系是，能量等于质量乘以光速（常写做c）的平方。所以我们说，质量与能量是等效的，在数值上能量等于质量乘以比例常数c^２。写成公式就是E=mc^2，或许这是物理学中最广为人知的公式。爱因斯坦在把孤立的空间和时间概念发展到空时概念之后，在要求能量和动量仍然遵守守恒定律的条件下，从理论上得出了质量与能量关系的结论。当人们发现这个公式完全正确时，由衷地为理论所取得的伟大成果而惊喜！在宇宙射线物理学中，人们经常打交道的是高能粒子。这些高能粒子的动能往往要比其静止质量所对应的能量大得多。这就意味着，这些粒子的质量往往是变化的，而且在数值上非常接近动能除以c^２。于是，往往倾向于大谈粒子能量而不谈其静止质量。例如，我们可能谈到有颗能量为50MeV的电子。我们知道，电子的静止质量（为了方便通常以能量单位来表示）约为0。5MeV，即便就此适中的电子能量而言，其静止质量不过只占电子总质量/能量的约1％。所以，我们倾向于只考虑粒子的总能量（即便只是动能）。
在电子能量为50MeV的情况下，用焦耳（常用能量单位，爱因斯坦方程中要求采用的单位之一）做单位，能量是50×10^６×16×10^…19焦耳。通过除以c^２（即3×10^8×3×10^8）的计算，就换算成了粒子的总质量，算得的结果大约为9×10^29千克。这是一个很小的量值，但仍然是教科书上所引用的电子质量的大约100倍。
在宇宙射线物理学中爱因斯坦质量/能量关系所以极其重要有两个方面的理由，这从以前的例证中可以得到验证。首先，从原理上看，只要具备了适当的物理机制，我们就能把50MeV的电子能量转变成其他粒子的质量。这正是宇宙射线簇射所实现的过程。甚高能宇宙射线将其动能转变成一大群实在的粒子的质量，这就是单个初级粒子形成次级粒子的簇射过程。第二，与质量等效的能量实际上就是质量。例如，在我们计算磁场中宇宙射线粒子的路径时，其螺旋曲线尺度所要求的质量就是所包括的能量除以c^2算得的质量，计算结果是惟一的正确答案。所需要的包括能量在内的全部质量，就是质量的适用数值。在宇宙射线的研究中，由于粒子的能量极其巨大，所以往往不需要再作加上粒子静止质量的烦劳计算。
附录2 单位和标度
距离
宇宙射线研究中所涉及的距离非常遥远，所以在通常的距离测量中采用与天文学中测量其他距离相同的单位。距离单位既用光年也用秒差距。1光年就是光（在真空中，或者从实际效果看在宇宙空间）行进1年所走过的距离。1光年约等于1016米。这个单位显然很大，但就天文学中的使用情况来看仍嫌太小。例如，我们到太阳的距离约为8光分，离我们最近的恒星距我们就有好几光年，我们的家银河系的直径竟有数万光年。人们对浩瀚空间真实意义的初步反应，很快就把人类的经验引向无限广阔的前景展望。由于历史原因，职业天文学家采用的与距离相关的单位称做秒差距（pc），这个距离单位略长于3光年。
在像星系之间的距离这样巨大距离上，由于常根据宇宙膨胀的速率来估算距离，所以在距离测量中存在着测量基础的不确定性，以至这个速率的准确数值一直是大家争论的主题，被大家认可的程度不高，速率数值的差别之间并不比因数2好多少。
电子伏（eV）
宇宙射线能量的测量单位是电子伏（eV）。单个电子通过一伏特的电势取得的能量就是1电子伏。例如，每个电子在干电池回路中的两个电极间通过后，其能量将改变1。5个电子伏。这个值非常小。1焦耳（能量的标准单位）能量的数值约为6×10^18电子伏。在靠近地球的地方测得的最低能量宇宙射线约有10亿电子伏的能量（有时写1GeV）。我们知道，最高能量的宇宙射线的能量高达10^20eV以上。
每平方厘米·克（g·cm^…2）
宇宙射线在物质材料中随着向前行进而被逐渐吸收。比较方便的办法是能说出它穿过多少物质材料。这是通过设想围绕粒子路径有一个横截面为1平方厘米的圆柱而作到的。我们通过测量这一圆柱体中物质材料的质量来给出它穿过了多少物质。所采用的单位就是每平方厘米·克（g·cm^…2）。由于人们通常对粒子在行程中产生相互作用的次数感兴趣，使得采用这个新颖的测量距离的办法显得非常实际。假如用米作单位测量距离，则这一数值在稠密材料中很大而在稀疏材料中很小。但是，采用这个测量单位后，清楚地表明产生的相互作用次数几乎与所走过的g·cm^…2数值成正比。
因此，我们看到海平面以上的地球大气，具有大约1000g·cm^…2的厚度，就与10米深的水有着十分近似的吸收特性。也许你会猜到这个结果，因为你会想到大气压强和10米水深的压强一样。假如你潜入海洋的10米深处，身体所受的压强加倍（大气压加上10米水压），同时对宇宙射线粒子的吸收也加倍。
附录3 与宇宙加速器竞赛的意图
在本世纪初的20年间，我们对原子结构的了解有了巨大进展。以卢瑟福1908年所作的著名实验为起点，进入对原子核的研究。他的实验表明，原子由很小的带正电的原子核，和其周围环绕着的电子海洋构成。卢瑟福利用镭在放射性衰变中发射出的高能α粒子（现在已知为氦核）对薄全箔中金原子的构造做了探测。当时，放射性衰变是探测原子核所能利用的高能粒子炮弹的惟一来源。当然，宇宙射线次级粒子总会产生，而且在粒子物理学的早期发现中不少发现就是从宇宙碎片中取得的。但是，宇宙射线是粒子的杂乱无章的汇集，其质量、能量和方向都在变化。像镭这样的放射性源，能产生令人满意的固定能量和固定质量的粒子射束。通过遮挡还能把α粒子调整成很窄的笔直射束。这些都用在了原子结构的早期研究工作中。
但是，
