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宇宙飞弹:天体物理学中的高能粒子
序
1992年,有一个人类知道的飞行最快的物体打到犹他州上空25千米的地球大气层上。它击中地球大气层时的运动速度是光速的百分之 ,999,999,999,999,999,999,对于平常物体而言,这是有可能达到的最快速度。这个所谈到的物体就是宇宙射线,更准确地说是一颗宇宙粒子。它的本性和起源仍是个谜,但它却是从宇宙空间连绵不断降落到地球上的无数粒子之一。
20世纪的物理学建立在两个深奥而强大的理论基础之上:相对论和量子力学。前者是关于空间和时间的理论,当物体速度接近光速时,各种奇异的效应就完全显示出来。后者是关于物质的理论,所显示的效应甚至比相对论更古怪,不过主要表现在原子和亚原子的尺度上。由于宇宙射线是以非常接近光速运动的亚原子粒子,所以它把现代物理学的这两个基本理论的全部特色结合进一个单一实体。因此,在这人类认识到的物理实在的两个最基本方面的交叉点上,我们期待着能看到全新的甚或完全不同寻常的各种现象的活动。
天文学也许是最大众化的科学。如今,大家常常听到谈论黑洞、类星体和脉冲星。人们都听到过宇宙起始于一次大爆炸, 而且报纸上定期展示给我们从哈勃空间望远镜发回的图片。可是,科学界以外的公众对宇宙射线却几乎什么也不知道,尽管实际上宇宙射线的产物每时每刻都在穿过我们的身体,对宇航员和甚至空中航线上的旅客可能是一种严重的致癌危险。
基本粒子物理学成为另一个颇具魅力的科学分支有其自身的合理性。例如Lep(设置在日内瓦附近的CERN实验室) 的巨型加速器使亚原子碎片在周长许多千米的环形管道中运转。这些技术上的巨人创造着宇宙大爆炸刚发生后通常会有的物理条件。它们的建造和运行须耗费数十亿美元,对它们进行操作需要科学家和工程师们组成的真正意义上的大军。
常常听到这样的说法,一项人类创造的技术无论多么灵巧,大自然早已首先创造出来。粒子加速器就是这种情况。不晓得什么缘故,在宇宙空间的深处,大自然已经创建了把亚原子粒子加速到CERN梦想不到的速度和能量的必要的物理条件。这些粒子从天上自由地径直来到我们这里。其中有许多已横越星系旅行了数千光年的路程,为我们带来有关中子星和黑洞等天体系统的外来关键信息。
宇宙射线跨越着处在物理科学关键位置上的两个学科,天文学和粒子物理学。一个学科研究宇观世界,另一个学科研究微观世界。在科技史上,宇宙射线的观测研究在亚原子粒子物理学中作出了一些非常重大的发现。第一例反物质粒子(正电子)就是1932年在宇宙射线碰撞出的碎片中找到的。没过几年,又从宇宙射线碰撞产物中发现了μ介子和π介子。
在50年代、60年代、70年代这一段时期,着重点从宇宙射线研究转移到利用人造粒子加速器对物质的基本结构进行研究阐释。不过,最近几年着重点又开始向回转移。粒子加速器耗资巨大并不是促成向回转移的惟一因素。当今的物理学家和天文学家认为,大自然能产生我们的加速器远达不到的异乎寻常的亚原子粒子类型。特别是,对这些粒子进行研究能够揭示,宇宙空间产生这种粒子的天体的极重要的细节情况。宇宙射线粒子带来的信息是用望远镜不可能搜集到的。
使宇宙射线研究复兴的另一个因素是技术的进步。这门科学的先驱者们依靠在照相乳胶或云室中检验径迹这样的早期技术获取数据,而今天的科学家们能操纵一系列复杂的仪器设备,例如高空气球、超级快速电子设备和高效检测器。
本书的作者罗杰·柯莱(Roger Clay)和布鲁斯·道森(Bruce Dawson)是宇宙射线研究领域中的权威专家。近些年来,柯莱的大部分工作是指导南澳阿德莱德(Adelaide)附近的地面站系统,和在伍麦拉(Woomera)附近的荒漠中与帕特森(John Patterson)以及若干个日本研究组进行合作研究。位于伍麦拉的观测系统设计成采用一种新奇的方式搜寻高能宇宙射线。实验者们把反射镜转向黑暗的荒漠夜空,寻找宇宙射线簇射落入大气时产生的微弱闪光。这种光具有独特的特征,类似于航船的顶头波,只要带电粒子穿过介质(此处为空气)时的速度快于该介质中的光速,就会发出这种光。
虽然这种检测宇宙射线的技术似乎不可思议,但已证明非常成功。一台因其独特外形而称做蝇眼的巨大检测器阵列,在犹他州运转着并一直是道森的工作中心。这套系统还采用更灵敏的检测方法审视着天空中的宇宙射线簇射产生的光。所获观测结果令人激动并使人兴趣倍增,在粒子物理学和天文学领域唤起了某些根本的信念。特殊奥秘笼罩着新近发现的最高能量粒子的本性——公正地说,我们这里产生不出这类粒子。
作为国际合作研究组成部分的蝇眼,其使用者柯莱和道森当前正投身于研究这些极高能粒子。他们处在推动建造两套宏伟无比的宇宙射线观测设施的最前线,该设施采用16000平方米检测器,覆盖3000平方千米的地面,以