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天体物理学中的高能粒子
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 99.999,999,999,999,999,999,999，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，以便彻底贯彻他们的初 步观测意图。他们深信，无论这极 高能粒子是什么，不管它是由什么奇特的天体系 统创造的，通过进一步对它们的研究都会使我们对物理学和天文学的理解向前推进 一大步。 正像柯莱和道森所指明 的， 此时此刻的宇宙射线物理学， 正处在&高地&上。 宇宙射线研究在前几十年的进展给人们深刻的印象，但我们能观察到前面等待着的 仍然是长期跋涉。下一代检 测器的采用会使这次新的跋涉取得成功。 我们登上绝顶将会看到什么?科学探索的全部目的是深入未知。 在高处起先一瞥 固然诱人，但是真正的快乐在于对意想不 到的前景的发现。古希腊哲学家已经知道 大自然有个基本特性，他们称之为&完美原理&。大概意思是，如果某件事物有可能 出现，大自然势必将它变成现实。在宇 宙所配备的全部资源上，大自然产生了我们 在加速器中也能产生的全部系列亚原子核实体和更多的存在物。无论多么怪异的粒 子有待寻找，我们确信它们迟早会从什 么地方出现。 保罗?戴维斯 于阿德莱德大学 前 言我们看到宇宙有许许多多奇特迷人的景象。夜空中的繁星往往令我们神往，人 们对它们已经观察研究了数千年。但它们告诉人们的天文真情只是很少的一部分。 近来，人们已经领悟到，我们还需要有例如射电天文学和 X 射线天文学这样的 其他学科来丰富我们对宇宙的视野。当今人 们更加明白甚至这还不够。实际的情况 是，在围绕我们的天空还充斥着极高能量的亚原子粒子的狂暴轰击。对宇宙中最狂 暴事物的研究属于高能天体物理学的领域， 所谈论的高能粒子就是宇宙射线。 这些粒子在许多方面都是神秘莫测的。尽管已经认真探索了长达一个世纪，仍 然不能确定它们是从哪里来的，或者说它们是如何产生的。不过，人们知之甚少的 关于宇宙射线发现的故事，以及随后对它们的研究，却有许多引人入胜和令人惊奇 的曲折情节。 多亏有了宇宙射线探索，物理学家才首次发现了预言中的反物质粒子。宇宙射 线的研究导致了把原子核结合到一起的&胶 水&――π 介子的发现。 宇宙射线研究还 揭示出 μ 子的存在，μ 子的意外发现对现代物质理论的形成大有帮助。简而言之， 宇宙射线为科学家们研究最高能量范围的 粒子物理学提供了自然界实验室。 不仅如此，这些粒子还深入地揭示着宇宙的天体物理本性。黑洞、中子星、超 新星和类星体，很可能都以某种方式卷入了来自宇宙空间的这些神秘放射性物质所 揭示的非凡故事情节之中。本书就是我们试图阐述那些故事情节的著述。 科学的进步在于提出问题和解答问题。科学进步还取决于观察与理论概念之间 的相互作用。有时候，观察或理论只能做到 在常规中进步，必须等待另一方有所突 破才能突飞猛进。另一方面，有时实验和理论会陷入这样一种料想不到的局面，开 创者们必须耗费大量时间学着对付种种不熟 悉的新观念。 对来自宇宙的高能粒子的 研究，必然面临着更多出人意料的观测结果及其导致的曲解。 在宇宙射线研究领域，攀登发现高峰的不屈不挠的奋战中，我们当前似乎正登 上一处高地。我们感到，人们已学会理解大 量的 30 年前不可想像的事物，但我们 深信在前面等待我们的仍然是长期的攀登。我们当前正在为了向人类已知最高能量 粒子研究的新一轮冲刺作着准备。我们已经 清楚地看到，现今的宇宙概念还不能胜 任对已知事物给出正确解释的任务。为了充分把握什么是需要真正解释清楚的事物 和什么是人为的观测局限性，我们必须掌握 更多详情细节。这里，我们将集中研究 阐述宇宙中的最高能量物质。对它们的理解就是我们的神圣目标。经验告诉我们， 在抵达现代天体物理学中这块意外的奇异王 国之前，仍然需要长途艰苦跋涉。 第一章 开场白 虽然既感觉不到也看不见，就在你阅读本书的每秒钟里，一直有宇宙射线轰击 你的身体。尽管对它们瞬间飞逝从不在意，我们还是继续暴露在冰雹似的宇宙飞弹 的弹雨之中。这种神秘的物质粒子看来起源于宇宙深空的极远地区。 公正地说，并非所有打到我们身上的高能粒子都来自空间。约有半数是从周围 的地球环境中发出的，食盐中含有放射性 钾，建筑房屋的砖石材料中含有铀，我们 呼吸的空气中还含有氡气。它们都在发射粒子。有些地点，这种种放射源是很危险的。例如在氡气含量水准过高的地区，氡 气被认为对人们的&重大贡献&是导致发生 癌变的终身危险。 宇宙飞弹也能引起麻烦。宇航员、飞机乘务员和旅客都显然暴露在宇宙辐射较 高的环境中，与地上的人们相比有较高剂量的粒子落到身上。以至起码有条航线 ――Lufthansa，禁止怀孕女飞机乘务员在航班上服务。 除了安全问题外，宇宙飞弹长期以来还是人们有强烈科学兴趣的课题。它们是 什么?它们是从哪里来的?这些问题困扰了 科学家们一个多世纪。 人们对宇宙射线更 感兴趣的还是它的极高能量。 它的存在使人类加速亚原子粒子的努力显得黯然失色。 事实上，粒子加速器达不到的高能量 处，才刚是最低能量宇宙射线的起始处。最高 能量宇宙射线比人类产生的最大能量粒子的能量要高过 1 亿倍。从而企求答案的重 大问题就是：这些超高能粒子是怎样 产生的? 问题的初步提示 有关电的某些知识几千年前人们就已知道，不过只是到了近代才学会对电作深 入理解。电有个特性，两个世纪前人们就注意到了，它很可能就是宇宙辐射作用的 结果。这起因于对静电的研究。 我们大都熟悉这样的事，在干燥的天气，如果用梳子梳过头发，梳子便有了吸 引碎纸屑的能力。在干燥天气，如果离开汽 车接触门把手时或在地毯上行走后接触 金属物体时，就可能遭遇轻轻的电击。这种效应是由于梳子或人体本身通过摩擦获 得一定数量的电荷的结果。梳子摩擦头发， 汽车摩擦道路或鞋摩擦地毯，就是摩擦 起电的过程。我们知道，梳子、汽车和地毯等物质都是原子构成的，原子中包含着 带正电荷的原子核和带负电的电子，两种电 荷数量相等达到平衡，构成电中性的原 子。但是，摩擦过程从原子中移去一些电子。这种自由电子以及剩下的带正电原子 能够不断积累，所以最后能产生惊人的电击 效应。 早期最值得注意的静电研究是在 18 世纪由法国物理学家库仑(C.A.deCoulomb) 实现的。他于 1785 年 在巴黎作过有关报告。库仑的名字最常出现在一个有关电荷 的基本定律中，该定律描述电荷相互吸引或排斥的力量有多强。他从一长串细心的 实验中取得大量关于电 荷的知识，有的部分深入到静电力的研究。他的研究工作的 必要部分包括，研究从绝缘带电体逐渐放电的过程，例如他在试验中仅用细绝缘线 悬挂着小球验证放电现 象。在这个实验中库仑发现，任何物体带电后，电荷都不能 永久保持，总会以某种神秘的方式逐渐跑掉。他推测一些电荷或许是经由悬线跑掉 的，但是即便果然如 此，也不足以圆满解释全部损失。 他发现电荷漏掉的快慢在很大程度上与空气潮湿度有关。当今我们不会再怀疑 这一看法，因为在天气干燥时，梳理头发出 现的起电作用最明显。这是因为在天气 相对潮湿时，电荷既可以由空气中的水分传走，又可以由潮气凝聚形成的传导路径 传走。带走静电可能还有什么其他机制的问 题一直没有弄清楚。这样又过了一个世 纪。19 世纪时人们认识到，如果空气中包含着自由运动的电荷，物体逐渐放电的现 象就能得以解释。科学家们想到，自由运 动电荷能在尘粒上找到，当它与某种东西甚或与空气原子摩擦时就会带电。 现在我们知道，当电子从原子移开时就产生静电。这时原子包含着少于正常定 额的电子， 所以带有净正电荷。 在有些情况 下， 这些带正电的原子(离子)能够运动， 很可能被吸引到带负电的区域，正负电荷随即相互抵消。现在已经弄明白，困扰库 仑的电荷漏掉问题，是空气中的电离原 子造成的。问题是那些离子是从哪里来的? 宇宙射线的发现 接近 19 世纪末，英国物理学家查尔斯?威尔逊(Charles Wilson)做了一个重要 实验，但是在那个时代也把迷惑注入了静电学。他估算了金箔验电器中电荷泄露得 有多快。 这件仪器是用一根细黄铜杆和一片窄窄的薄 金叶片构成的。 金叶十分灵活， 一端附着在铜杆上，因此叶片可以自由地贴近铜杆或离开铜杆。当验电器充电后， 电荷就分布到整个金叶和支撑它的铜杆上， 这是由 于电荷相互排斥而尽量布满导体 的缘故。这时又轻又薄布满电荷的金叶受到荷电铜杆的排斥，其下端就离开铜杆停 在一定张角的位置。张角的大小就向威尔逊指出了 验电器带电的多少。通过对验电 器金叶缓缓落向铜杆的观察就能测算出电荷泄露的速率。 当黄铜支撑杆和金箔带电时，电荷传遍其各处。金箔上的电荷与铜杆上的电荷 相互排斥，于是柔韧的金箔离开铜杆。金箔与铜杆间的张角大小表明所带电荷的多 少。 为了尽量找出是什么原因造成了电荷泄露，威尔逊把他的仪器放进一个不大的 密封容器，并充进滤去尘埃的空气。他发现 这时电荷泄露的速率仍然依旧，泄露与 空气来源无关。他还试过，充进从乡下取来的洁净空气和从他的实验室(混入城市污 染和实验室带有放射性的污染)取来的空 气。他判定泄露不可能归因于尘埃。未曾 预料到的结果使他深感困惑。接着，威尔逊比较了黑暗中与日光下的泄露情况，还 是没有区别。而且不论仪器充的是正电荷 还是负电荷，放电速率都不变。 威尔逊不得不得出这样的结论：实际上离子是以某种方式在密封容器里的空气 中直接形成的。生成速率能根据等量产生的正电荷和负电荷总量测量出来。到底什 么导致离子的形成，根源似乎不在他的仪器也不在实验室。由于尚无更准确命名， 暂且叫做&自发&电离。 威尔逊在剑桥大学学习时， 汤姆逊(J.J.Thomson)讲授过， 射线(当时称做伦琴 X 射线)的电离效应和阴极 射线(后来确认为电子)的电离效应。他还熟悉从放射性物 质发出来的辐射的作用。&自发&电离的特征很像辐射引起的。1901 年，威尔逊急于 想知道，这种电 离是否能由来自地球大气以外的放射线引起。检验的办法就是，到 更高的高度看是否效应增大和到地下看是否效应减小。他作了地下观察，但没有认 识到地下放射性 对放电所起的作用也和穿透大气的粒子或射线所起的作用一样。 遗 憾的是，他的仪器还不够灵敏，区分不出是哪种作用。他夜间在苏格兰铁路隧道中 所进行的测量表 明，那里的电离效应并没有测得出的减弱，这似乎消除了认为是宇 宙来源的可能性。他得出的结论是，电离源必定是空气自身中的某种事物。 此种看法又过了十年还没被澄清。这期间威尔逊所使用的简单验电器有了改进型。新型的&电离室&比验电器更完善更精密，并成了辐射实验室的标准设备。居里 (Curies)在他对放射性的开创性研究中就用过一台这样的仪器。用上电离室才最后 帮助解决了电荷泄露问题。 决定性的实验是 1912 年 8 月 7 日完成的。 其结果获得了诺贝尔奖。 真令人惋惜， 获奖者不是威尔逊。这次实验与威尔 逊深入地下测量相反，而是包括升入大气去测 量。进行这项实验的科学家是 V?F?黑斯(Viktor F.Hess)，他把电离室装进氢气球 的吊舱里，携带着电离室升上高空，进行了一系列英勇的冒险飞行。宇宙射线实验 从来都是在荒凉地区进行的，但很少有像 黑斯那样的勇敢探险。实验中，他乘坐在 庞大体积的高度易燃的氢气球下的小小吊蓝里，飞升到 5000 米以上的高空。每次电 离室测量实验都要耗费 1 个小时， 球上升和下降的整个期间黑斯都作着紧张的测 气 量。因为黑斯升上高空并不像现代登山者那样，能携带上救急用的氧气，所以每次 飞行都是很危险的。在那样高的地 方，他的判断能力也会由于空气非常稀薄而大受 影响。 新仪器设备的采用往往会取得科学研究的重大突破。在气球观测中，使用的是 一台大为改进的电离室。它是耶稣会教士沃 尔夫(Th.Wulf)神父特别为气球实验而 设计的。为了探求高出地面电离总量有什么改变，1909 年，沃尔夫自己在艾菲尔铁 塔顶上也进行了测量实验，但 是测量实验并不成功。这种沃尔夫检测器既紧凑又结 实，是专为对付气球急速升空时大气压的巨大变化而设计的。黑斯在他的气球测量 实验中携带着三台这种辐射检 测器。 黑斯受到奖赏是由于他的下述发现。气球开始上升时电离(辐射所导致的电离) 减小不多。然而，高过约 2000 米的高 度后，辐射水准先是缓慢增加，随后当接近 5350 米的最高高度时辐射就会显著急速增大。他的解释是，来自地球放射性的辐射 一直影响到约 2000 米的高度， 但在更高的高度上是另外的事物导致电离增大。黑 斯猜测到，这另外的事物是&从上方进入我们大气的高穿透力辐射&。有一次他趁着 正在日食，进行了气球飞升观 测。发现电离效应在日食时既不减小，在夜晚也不减 小，所以导致电离的辐射源不像是太阳。 到那时，对自然放射性已进行了广泛的研究，然而对于产生这种现象的核过程 还不完全理解。 正在蒙特利尔 (Montreal)工作的卢瑟福勋爵(LordRutherford)建立 起辐射分三大类的观念。 一类是 α 粒子， 现在知道它们是高速氦核； 一类是 β 粒 子， 它们是电子或人为产生的阴极射线；另一类是 γ 射线，它们是与光线或 X 射线基本 性质相同的高能&光子&，但是能量更大。这些辐射形式各有各的特性。α 粒 子飞驰 的距离很短，β 粒子贯穿能力强些，而 γ 射线是到目前穿透力最强的射线。黑斯立 刻意识到，致电离成分中有 γ 射线，因为如果辐射来自空间的话，必需穿透 好几 公里地球大气。当时知道只有 γ 射线能有这样大的本领。我们将要知道，这一观点 实际上并不正确。然而在当时，黑斯和其他任何人还搞不清楚原因。 在黑斯的冒险气球飞行实验之后，物理学家 W?考尔赫斯特(Werner Kolhorster)又进行了更大胆的气球飞行实验。为了研究放射性，他继续发展沃尔夫 电离室。1913 年和 1914 年正当他二十几岁精力旺盛时，进行 了一连串的气球升空 试验。考尔赫斯特到达了 9300 米的高度，类似珠穆朗玛峰的高度，或者说是喷气客 机巡航的高度。在这个高度上，测到的辐射致电离效应比 地面上高出 50 倍。1930年，考尔赫斯特在波茨坦(Potsdam)创建了专门研究宇宙射线的第一个研究所。 黑斯和考尔赫斯特所取得的观测结果(高度升高则辐射水准增大)清清楚楚地表 明，辐射的源泉在地球环境以外。直到那时，天文学依然对回答这个问题束手无策。 这种辐射穿过大气的方式还不清楚。只是注意到随着高度升高辐射增强，但是 找出辐射强度如何变化却非常困难。初期的 观念是，因在大气层中穿过的厚度越来 越深，而使得宇宙 γ 射线强度只会逐渐减小，但后来证明这个看法是错误的。我们 现已认识到，在很高的高度上的绝大部分粒 子根本不是 γ 射线，显然出现那样的 错误观点就难以避免。这表明出路依赖于几方面的突破。其中之一是必需对辐射穿 过地球时其强度如何随高度、压强和其他参数 发生变化进行研究。我们即将看到， 能让研究者观测到个别辐射粒子的一项新仪器的开发，导致另一个科研领域的巨大 进步。 第二章 理解宇宙射线的新技术 20 世纪初，科学研究是很艰苦的。实验科学家不得不用手记录大量试验数据， 或许还得从米制刻度盘或照相底片上读出数字记录。时至今日，这类数据搜集和分 析工作，当然已改由电子仪器和计算机代劳。在宇宙射线的研究领域，这一革新是 在同新的核物理科学携手并进中实现的。 在威尔逊、黑斯、考尔赫斯特和他们的同事们从事实验时，主要测量仪器是金 箔验电器和改进后的沃尔夫电离室。就是利用这种简陋的仪器，他们证实了确定无 疑的事实：认识到我们周围的空气持续不断地在低水准上被电离，从而说明了带电 物体漏电的原因。 但是要想对这种效应进行更精确的定量测量，就需要采用新的工具。最重要的 新工具之一， 是由在曼彻斯特 (Manchester)的卢瑟福实验室工作的德国物理学家汉 斯?盖革(Hans Geiger)设计出来的。1918 年，他研制出一台每当粒子穿过它时就咔 哒作响的仪器。当今，在公众的心目中盖革计数器已成为辐射测量的同义语。当时， 在推进辐射测量工作上做出很大成绩的威尔逊，正在从事改进另一种实验设备的工 作。这台设备对粒子物理学的研究也具有极大的重要性。他研制的这台仪器能把单 个电离粒子的轨迹真实地记录下来。这便是著名的云雾室，几年后又发展出气泡室。 这样一些仪器设备，同电子计数技术一起，为后来的半个世纪完全革新了粒子物 理 学的研究手段。 20 世纪 20 年代――巩固时期 20 世纪 20 年代， 随着空气电离即是问题的关键这一新基本概念的落实， 人们对 研究宇宙辐射的兴趣猛增。近来发现， 来自核蜕变的辐射，也似乎来源于空间。整 个欧洲都在研究这种新辐射，北美的兴趣也很强不久就承认了某些基本结果，但是 理解得却不怎样快。广泛深入的气球观 测表明，令人惊奇的是，存在着一个辐射能 达到最大数值的高度，但这一高度并不是大气的顶部。假如辐射是从地球以外射进 来的，这个事实就难以理解。人们预 期，地球大气层会以递增的方式吸收辐射，而 不会是先贡献而后再吸收。有一段时间，设想大气高层必定含有放射性源，但后来清楚了，这种辐射与来 自放射性的辐射并不相同，因为穿透力强得 多。在很深的湖面和冰川下面这种辐射 也能达到。在隧道中进行测量也表明，虽然强度大为减弱，但岩层下面相当深处还 能找到它的踪迹。甚至来自地下天然放射性 的贯穿能力最强的 γ 射线，也还是远 远赶不上这种辐射的强大穿透能力。到了 1925 年，大多数科学家都已明白了，这一 辐射现象的起源确实是在地球以外，于是 有影响的美国物理学家密立根 (R.A.Millikan)给它选定了一个这样的名字――宇宙射线。密立根由于作了测定电 子电荷的油滴实验而非常著名， 那时 仍然认为宇宙射线是具有很高能量的 γ 射线， 它是当时所知道的贯穿力最强的粒子。 这种观点很快就变得站不住脚了。γ 射线同光线一样直线行进。假如宇宙射线 就是 γ 射线，假如这种射线是我们银河系中 产生的，天空就会出现宇宙射线强度 很强的区域，就像有一个明亮的用可见光看到的银河一样。1926 年在南美进行的测 量表明，无论银河当空与否宇宙辐射的强 度均无差别。 对宇宙射线电离强度在地球上空如何变化的仔细测量，推进了对宇宙射线进一 步的了解。 这种微小变化不是由于天空星象 视角有什么不同， 而是与地球磁场有关。 磁场对 γ 射线不产生影响但对带电粒子却起作用。大约这时人们认识了极光(在靠 近南北极的地方天空有时出现的美丽彩色 光幕)是由于来自太阳的高能粒子穿入大 气而形成的。地球磁场把这些带电粒子的进程改变成复杂的路径，最终轰击大气产 生光辉。 南北极附近是地球磁力线向下弯曲进入地球的地方，极光主要出现在地球磁场 附近的天空。带电粒子的路径很难跨越磁力 线的方向，宇宙射线势必跟随其后。所 以，赤道附近必须横穿许多水平磁力线之处，只有少数粒子抵达地球上。两极附近， 磁力线几乎竖直上下，粒子容易沿着磁力 线进入大气，于是导致大气分子发出光辉 形成极光。如果粒子能量极高，则很少借助于磁力线，并且在离极地更远的地方就 能看见极光。就这样，根据地球磁场的知 识，加上对极光的观测，我们几乎能直接 对来自太阳的极光粒子能量进行测算。同样认识到，根据宇宙射线强度随着离极地 距离不同而产生的变化，应该得到有关宇 宙射线粒子能量的信息。 但对纬度效应的测量并不容易。20 世纪 20 年代所使用的电离室灵敏度已相当 高，但是这项实验必需把电离室海运到很 远的地方。要做到测量时仍然保持校准的 精确度确实是一种挑战。荷兰科学家克莱(J.Clay)到东印度做过测量后，于 20 世纪 20 年代末首次报告了观测结 果。20 世纪 30 年代初继续进行了更复杂的测量。在海 平面的高度上，从中纬度到赤道宇宙射线的强度下降了 6%；更高的高度上这个效应 更显著。宇宙射线中包 含着来自地球磁场以外的带电粒子，这在当今已毫无疑义。 但这一效应的特别巨大仍然使人们惊奇。 宇宙射线强度随着离极地距离不同而变化， 这一效应同全部辐射 都采取带电粒子的形式符合一致，而不是仅仅对 γ 射线成分 的微小补充。 对宇宙射线中带电粒子和 γ 射线的相对数的测定， 能给出对该效应的进一步检 验。因为我们知道地球磁场的极性(&南& 极在北，&北&极在南)，所以能预先指出射 入的带电粒子如何偏转。自然还有赖于粒子带正电还是带负电。检验的办法是看从 西边射来的宇宙射线多还是从东边射 来的宇宙射线多(观测是在赤道附近进行的)。这一&东?西效应&是分别由比利时的乔治?勒梅特(Georges Lemaitre)(可能当今人 们首先记得他在宇宙学上的贡献)，墨西哥的曼纽尔?瓦尔拉塔(Manuel Vallarta) 和意大利的布鲁诺?罗西(Bruno Rossi)三人预测的。 罗西决定寻找这一效应，他确信在赤道附近的高空这一效应最显著，于是作好 了实验准备并在东非的一座高山上进行观 测。东西效应是找到了，但是使意大利实 验者们非常失望的是，这一发现没过几个月就被在墨西哥城进行的观测击败。还不 仅如此，竟然只有勒梅特和瓦尔拉塔的预 测得到信任，而罗西的工作没人提及。这 对罗西简直是一次重大挫折。 通过找出宇宙射线穿过哪两个计数器，就能确定其到达方向。还能保证宇宙射 线穿过实验仪器(例如云室)时，所记录的数据是惟一的。 东西效应的观测需要使用盖革弥勒计数管。它是对前面提到过的盖革计数器的 改进。 有的宇宙射线能穿过数个管而不停下来。 把计数管排列成组， 仅在特定的联 合 下才有反应，以便把单个粒子的路径记录下来。如果列举出在特定直线上被惟一打 中的那些计数管，则粒子飞行的方向就可以由计数管的取向来确定。这些计数管 称 为&在符合中&运行。如果计数管的取向反映出入射粒子路径方向是竖直的，则计数 将最快。这是最直接的穿透大气的路径，这样的入射粒子遭受到最少的吸收。 人们 预期计数率会随着与竖直方向的夹角的增大而减小，事实的确如此。另一方面，这 种变化还因计数器的地理取向的不同而不同。 在赤道区， 存在着明显的东?西 效应， 清清楚楚地检测到从西边射来的粒子比从东边射来的多。效应本身与预期一致，但 测得的极性出人意外。来自西边占据优势的粒子显示，它们并不是原来假定 的携带 负电荷的电子，而是携带着正电荷。这个结果消除了许多错误概念，并将证明具有 基本的重要性，但是它的真正意义直到种种困惑得到澄清后才认识清楚。 粒子与云雾室 20 世纪的最初 30 年是物理学产生重大变革的时期。 临近世纪之交， 有些科学家 带有结论性地认为，除了在各个基本常 数的小数点后面再增加几位数字外，物理学 中已无事可做。他们不能再犯比这更大的错误了。随着新世纪的到来经典物理学大 厦土崩瓦解，德国物理学家马克斯?普 朗克(Max Planck)在原子物理学中的工作浮 现出第一个革命信号。他为了对被加热物体的光谱作出解释发展了一种数学技巧。 一条光谱就是光中颜色的详细分布，就像 我们在彩虹中看见的那样。热的物体能变 成&红热&，更热的物体能变成&白热&。颜色变化是我们解释被加热物体随温度增加 其光谱发生变化的说法。普朗克的数 学理论假定，光线是以具有特定能量的分立团 块(后来叫做量子)的形式产生的。因为物理学家以往都是假定光的特性是连续的， 所以这确实是个新概念。阿尔伯 特?爱因斯坦(Albert Einstein)几乎立即指出， 这种量子不仅只是数学计算上方便，光线确实是以能量包的形式存在的。它们就是 光子。 从频谱一端的无线电波，到中间的可见光，直到远在另一端的 γ 射线，全部电 磁辐射形式都能用光&量子&进行描述。 日常生活中， 在 当我们利用光或无线电波时， 就正是用着一个一个的单个能量包，只因为光量子非常小所以通常不需要考虑整个 能量是由大量能量小包组成的。因此， 从实际效果看，平常可以完全忘掉光子的存在。例如一只灯泡每秒钟发出千百亿亿个光子，似乎看到的是连续的能量流。令人 感兴趣的是，艾萨克?牛顿 (Isaac Newton)在 17 世纪就曾主张光是粒子组成的概 念。这一被称做&微粒说&的理论，在 18 世纪似乎已被证明光是波动现象的令人信服 的实验所驳倒。到了 20 世纪，物理学家发现，光的某些特性常常需要当作粒子的集 合，而有些特性往往需要看成连续的波动。当人们发现很自然地被看成粒子或物质 团块的电子也具有 波动性后， 兼有粒子和波动两种特性的这种令人惊奇的事情又得 到进一步的认识和理解。毫无疑问，那段时期物理学家的世界观经受到最伟大的激 变之一。 那次物理学革命中的另一个组成部分就是空间和时间概念的根本修正。我们对 自己相对于地球上或宇宙中的其他物体所处 的位置以及空间的含义， 有一种直觉的 认识。当我们对于其他物体处于相对静止状态时感到舒适平静，这样的位置状态能 被惟一确定。 我们对于永无止息均匀前进的 时间和关于时间本身也具有一种直觉的 认识。但是，当物理学家们接受了本世纪初爱因斯坦的狭义相对论的冲击之后，也 把这些通常的空间概念和时间概念放弃了。 狭义相对论是个带有根本性的理论，对很多物理学家来说，这个理论已成为计 算物体运动与相互作用方式的日常工具。当 我们与周围的日常环境打交道时，它给 予我们可资利用的直观回答，对于更加极端的环境条件下的事物行为，它也能提供 正确答案。 这个特殊理论起码继承了不少 19 世纪物理学的成就。 其中的方程式早就 知道了，但是也有同量子概念类似的情况，那时并不理解它对物理学的根本意义。 最终是爱因斯坦指明了那些方程式不仅 是数学上的方便， 而是空间与时间实际上结 合在三维空间和一维时间构成的不能解脱的四维联合之中。更令人惊奇的是，这些 空间和时间的维度能够互相转换， 时间 可以转换成空间， 反之亦然爱因斯坦又指出， 为了保留某些神圣不可侵犯的物理学原理――即能量守恒定律和动量守恒定律―― 有些直观概念必须放弃。质量本身不 再是固定不变的而是能转变成能量。能量可以 变成物质，物质也可以变成能量。能量的旧概念必须加以扩大，应当把与质量相联 系的能量成分包括进来。质量与能量 的这种关系，对于理解宇宙辐射的观测特性， 事实上是极端重要的。 再回过头来谈威尔逊和他在物理学中的第一爱好――云雾。1894 年，威尔逊在 英国岛屿中最高点尼维斯峰(Ben Nevis)峰顶的一个天文台上，度过了几个星期。在 那里看到的云雾现象使他着迷，打算在实验室条件下对这种现象进行研究。我们知 道他在这次实验之前探讨 过，把潮湿空气装进试验腔再迫使其膨胀。这个过程造成 空气中水蒸气变成过饱和，并以空中形成云雾的同样方式凝结而成细雾。凝结过程 通常需要有细小粒子或& 核心&的存在，以便充当水滴形成时的种子。空气中自然包 含着的尘埃颗粒平常就承担了这一任务。 威尔逊发现，如果把这种实验室制造的云雾沉到腔底，除去尘埃颗粒，则经过 几次形成云雾膨胀过程之后，尘埃颗粒就全 部除去，这时在缓缓膨胀后的空气中就 不会再形成云雾。在实验室中进行这种现象的研究很不容易，因为随着膨胀的发生 腔中空气立即冷却(正像空气烟雾剂发出的 气体能使你的手指变凉一样)， 而随后热 量由外界传进来，腔中空气又变热。威尔逊制作了一台能快速膨胀的特殊仪器，从 而他可以对付热流的慢慢流入。尘埃除去 以后，直到空气膨胀到至少达到 1252 倍， 完全不见有云雾出现。在更大的膨胀后静止下来(高达 1375)，威尔逊看到出现了一场水滴小阵雨，在更大的膨胀 后甚至没有尘粒也同样形成稠密的云雾。这便是威尔 逊在尼维斯峰时最初发生兴趣的那种现象。威尔逊的注意力集中到出现稳定的雾滴 阵雨的这个中间阶段。他认识 到，这里肯定标志着有引起雾滴阵雨过程形成的微小 核心在稳定地产生。 1895 年对物理学来说是极其重要的一年。那年 11 月德国物理学家 W?伦琴 (Wilhelm Roentgen)发现了 X 射线。在短短几个月内全世界多次重复进行了他的观 测。 当时， 威尔逊正在剑桥卡文迪什实验室伟大的实验物理学家 J?J?汤姆逊手 下 工作。 早在 1896 年年初汤姆逊就亲自用 X 射线做过试验。 威尔逊取得汤姆逊的允许， 利用他的仪器对过饱和蒸汽中所发生的效应作观察。他惊喜地看到，当空 气膨胀后 还同以往一样仅仅出现稳定的小阵雨时， 射线(能导致电离)立即使他的腔室中充满 X 了浓雾。先前&降雨&已揭示了腔室中自然电离的存在，其中有些是 由于当时未知的 宇宙射线引起的。是带电的离化原子代替了尘埃颗粒充当发生凝结过程的核心。 威尔逊的兴趣一度转移到空气传导性的测定上，但是 1910 年左右，又回到雾滴 的产生问题。这时，由于卢瑟福及其同 事们的贡献，放射性的本质已经更清楚了。 当时人们已经知道 α 射线和 β 射线由带电粒子构成，威尔逊向自己提出这样的问 题： 这种带电粒子的轨迹是否能由它们通 过空气时产生的离化原子上凝结的雾滴进 行跟踪呢?他为了尽量设计出产生、照亮、拍摄这种轨迹的最佳仪器设备，耗费了大 量时间。在出色地完成这项设计之前， 他决定无论如何先试试看，当他把 X 射线照 射进腔室中时，获得的回报是确实看见了纤弱的轨迹。他还查看了 α 粒子产生的轨 迹，并把照片拿给当时的 α 粒子专家布 拉格(W.H.Bragg)看。当时，布拉格刚在不 久之前出版了一部通过间接方法推断出来的展示 α 粒子轨迹线类型的图。 实际照片 和轨迹线图明显相似。 整个 20 世纪 20 年代，使用云室技术不断取得一些成功，但直到那个年代末云 室技术的辉煌时期才到来。 我们已经知道 宇宙辐射比天然放射性的贯穿能力强大得 多。关键的问题是为什么会是这样。莫非这种辐射是全新的现象，或者只是电子、 α 粒子和 γ 射线这些已熟悉粒子的更高能 量形式。有一个检验办法是，把云室放 进强磁场中，来观察宇宙射线通过时的轨迹变化。带电粒子在磁场中的偏转总量， 随着磁场强度、粒子电荷量和极性以及粒子 的动量(或能量)而变。主要的未知因素 就是粒子的能量， 这从轨迹的偏转情况就能估算出来。 1929 年， 美国物理学家 C?安 德森(Carl Anderson)和罗伯特?密立根就建造了这样一台仪器。 这项技术的完善又经过了十年，改进工作是由英国 P?布莱克特(Patrick Blackett)及其合作者完成的。决定性进展的关键在于盖革计数器和云室的联合运 用。最初设置的云室是随时进行记录，不管出现的轨迹是否有意义。然 而，当云室 的记录由其上方的盖革计数器检测到粒子而启动时，则几乎每张照片都包含着引人 入胜的事物。云室实验很快就指明，电子携带的能量高达 10 亿电子 伏，比以往所 知来自放射性的电子的能量要大 1000 倍。 仅这次观测就足以对这一设计尝试作出高度评价。但是最具深远影响的发现是 1932 年 8 月由安德森取得的。当时他正 在加州工学院，是密立根的同事。安德森认 识到［在英格兰的布莱克特和 G?欧西里尼(Giuseppe Occhialini)也几乎同时认识 到］，他拍摄下来的某些粒子轨迹是正电子的，它是与人们熟悉的电子完全相同但却是带着正电的孪生兄弟。这种&反&粒 子是英国伟大的物理学家 P?A?M?迪拉克 (PaulA.M.Dirac)不久前刚预言过的。不过当时迪拉克认为他预言的正粒子是质子。 安德森发现许多正 电子是宇宙射线与原子核相互作用产生的。然而，约半年后他认 识到，有时当光子(γ 射线)撞击原子核时，就会产生一对粒子，包括一个电子和一 个正电子。 这时 γ 射线的能量显然直接转化成次级粒子的质量和动能， 这里的质能 转变正像爱因斯坦狭义相对论所指出的那样。正电子的发现和证实反粒子的存在， 是物理学史上最 重大的实验成果之一。 射线的能量转化成粒子及其反粒子的过程 γ 当今称为&对产生&。 云室技术曾有过多方面的应用，直到近些年，仍然偶尔用到。20 世纪 30 年代初 期，在作为探索基本粒子特性的工具而 使用时，或许是使用云室的全盛时期。不少 实验者创造性地利用云室取得了许多重要成果。云室记录到有些粒子对看来是由电 子产生的。 人们认识到， 在这种情况 下， 当电子接近原子核时首先产生一粒光子(γ 射线)，随后产生粒子对。电子发射光子的过程叫做&轫致辐射&，这是因为电子与原 子核相互碰撞后，可以使电子 慢下来，但仍然保有能量和动量。 请注意，我们现在已经又有了一个新的转变的可能性。当电子损失能量时能产 生 γ 射线， 随后 γ 射线又产生电子和正电 子。 虽然原始电子必须失去大部分能量， 但一个粒子(电子)能变成三个粒子(两个电子和一个正电子)。原始电子的动能转化 成粒子质量以及与其他粒子共享的动 能。电子是质量最小的粒子。用能量单位表示 电子的质量约为 500，000 电子伏，常写做 0.5MeV(1MeV 是 100 万电子伏的能量)。 与安德森所发现 的宇宙射线中许多电子的动能(好几千 MeV)比较起来，这个数值是 相当小的。其结果就是，单个宇宙射线电子的能量能转变成许许多多次级粒子的质 量。这种轫 致辐射和正负电子对产生过程的不断重复，一次又一次地把能量转变成 更多的次级粒子的过程，称做级联。由于这种特定类型的级联只包含着电子(通常把 正电子与 电子看成同一种粒子，只是携带的电荷相反)和 γ 射线，通常叫做电磁级 联或簇射。 宇宙射线簇射(广延空气簇射)的早期研究 1927 年至 1929 年，在 D?斯科别利兹(Dimitry Skobeltzyn)从俄罗斯访问巴黎 期间，奥格尔和斯科别利兹初次发现了簇射存在的证据。之后的整个 20 世纪 30 年 代，对宇宙射线在地球大气中导致产 生簇射的过程进行了研究。簇射显然具有极高 的能量，但似乎包含着不属于熟悉的电子、正电子和 γ 射线的另外组成。这种另外 的成分穿透本领更强，作为次级粒子 往往在隧道之中或湖泊深处检测到，并时常在 云室里见到它的单独而孤立的轨迹。这种粒子必定有某种不同之处，肯定是新粒子。 在尚未找到恰当称呼以前，先标以 X 粒子。1936 年，密立根宇宙射线研究组证实， 抵达地面的确实主要是两种独特的单个带电粒子群：一种是电子，另一种是 X 粒子。 当年，该研究组的密立根和 在宇宙射线研究上做出贡献的黑斯获得了诺贝尔奖，并 向斯德哥尔摩致意。他评论道，这种具有高穿透本领的粒子&虽然并非自由正电子和 电子&，很可能是一种需 要进一步研究的重要物质。确实是如此。 1935 年，一个十分无关的进展导致对这种粒子身份论证的错误概念。日本理论 家汤川秀树(Hideki Yukawa)提出， 为了说明把原子核中的粒子聚拢在一起的核力(当 今已知属于强作用力)的本性，需要有一类新粒子。直到那时，还没有提出任何有关核力的 有效理论。汤川秀树的理论需要存在一种质量处于电子与质子之间的粒子。 就在两年之后，S?内德梅耶(Seth Neddermeyer)和安德森在宇宙射线云室实验中检 验出，X 粒子的质量约为 200 个电子的质量。于是普遍认为，这种粒子就是汤川秀树 预言过的那种粒 子。根据质量介于电子与质子之间的特征，取名介子。然而，我们 将看到把宇宙射线中的介子也卷入强核力之中是不正确的。核力理论所需要的粒子 是直到数年以后 才发现的 π 介子。随着时间的推移，这种云室粒子重新被命名为 μ 介子，当今已简化为 μ 子。现在 μ 子已不再划归介子类。 奇怪的是， 似乎 μ 子在大气中被吸收的速率比在实验室测出的被吸收速率更高。 有人提出，这可能是由于 μ 子在通过空气 时的很长路程中，某些 μ 子产生衰变的 结果。1939 年肯定了这个结论。在实验室中，当 μ 子的速度接近光速时，发现它的 寿命(1940 年罗西首先作了这种测 定)很短(只有 2 微秒)，按理推算 μ 子只能行进 不到 1 千米。但实际上 μ 子很容易穿过好几千米厚的空气直达地面。罗西认为这正 是爱因斯坦相对论的时间膨胀的 例证。自从 1905 年狭义相对论提出以来，这还是 破天荒第一次在实验上证实了时间膨胀效应。 快速运动中的 μ 子的表观寿命所以会 延长，只是因为其运动速度接 近光速的缘故。 随后的重要问题是这些 μ 子与电磁级联是什么关系。云室中见到的 μ 子强度 似乎并不像电磁粒子那样随高度变化。这就提 示着这些 μ 子的起源并不受紧密束 缚。P?奥格尔(Pierre Auger)和他的法国同事们觉得，观测到的电磁粒子庞大群体 可能就是由高空大气中的初级粒子(假定是电子)激发出来的电磁级联的最后阶段。 他们提出的图 像是，因为所有粒子与本身的静止质量比较起来都具有极高的能量， 致使其速度都接近光速，所以基本粒子级联的飞驰旅行几乎是同时穿过大气。另一 方面，粒子在 每次与空气原子或电子相互作用时，都会以杂乱的方式被推向旁边一 点(由带电粒子的电场引起，故称作库伦散射)，其结果是簇射向旁边扩展成一个薄 盘的形状。 由于这样的结构，于是就把这种现象命名为广延空气簇射(EAS)。开始 曾叫做奥格尔簇射。 奥格尔和他的同事们在云室中见过这种簇射，但再大的云室也不足一米，不可 能扩大到很大的范围。 而像盖革计数器这种 电子计数器却能水平放置成&符合&运行 的方式，当两个或更多计数器在同一时间检测到簇射时，电子线路就能识别，这些 粒子必定来自同一次簇射。 间隔半米以上 水平放置计数器作符合检测的实验早已做 过，已看出符合率随着计数器放置间隔的逐渐增大而很快减小的现象。罗西 1933 年 到东非作东?西效应观测操作时或许 已经首先见到这一效应。他曾报告说&没有时 间对这一现象再作进一步研究&。奥格尔发现，把计数器的放置间隔一直连续增大到 300 米，仍做出了符合记录!当 前符合率已减小了 1000 倍，但仍然没有显出停止的 迹象。 看来簇射似乎是由来自空间的宇宙射线粒子在大气高层引发的。在地面上用盖 革计数器和云室观测到的簇射，其中包含着 电子、正电子和 μ 子。据推测，这些 粒子是由宇宙射线粒子与大气原子相互作用产生的。初级宇宙射线先是与空气原子 作用产生 μ 子，簇射中电子和正电子是随后在 电磁级联中相继产生的。可是，簇 射理论提到，电磁级联不应扩展到比几十米更远处，所以对观测到的大范围侧向扩 展现象必须另作解释。出现了穿透能力很强的 μ 子，看来就是答案。μ 子是惟一 能穿透厚厚的岩石和水层的粒子。直线穿过大气层对它来说非常容易。这种 μ 子如果在大气高层产生后，以与级联主体的方向成很小 的角度射来。抵达地面时将落到 离簇射中心区很远的地点。例如，一粒从约 10 公里高空射出来仅与簇射方向成 1 度 偏角的 μ 子，抵达地面时会落到离簇射中心(即 核心)超过 150 米远的地点。我们 这里给出的宇宙射线簇射图像是， 一个中心高能核心加上电磁成分和 μ 子成份的组 合物。距簇射中心数十米以内主要是电磁成 分，而簇射中最重要的 μ 子成分散落 到外围更远的地方。 奥格尔完成的这项研究工作给出一个使人震惊的结果，就是他计算出整个簇射 的能量大得惊人。从理论推断和云室测定的 证实，一次簇射中每个粒子有几千万电 子伏的平均能量。由于奥格尔从符合测量知道了粒子的数目如何随距簇射中心的远 近而变化，所以他能估算出一次大的簇射能 包含的粒子总数。原来这些大簇射每次 竟包含 100 万颗或者更多的粒子。于是，整个簇射的能量至少达到 100 万(粒子数) 个 1000 万(每个粒子的平均能 量)电子伏。计算结果并未扣除簇射穿过大气损失的 能量。已知这个损失值是上述计算结果的 1/10 到 1%。就这样，奥格尔测得了当时无 法接受的来自宇宙的高 能粒子能量，而且差不多找到了某些关于它们存在的解释。 比较起来，光学天文学用到的光子能量才 1 电子伏，这要比宇宙射线的能量小 1000 万亿倍。稍后，我 们将阐述当今已经知道的在某些天体上能使粒子达到这样高能量 的若干机制。许多加速机制确实会存在，但是当前我们尚不能指出，以哪种解释为 主来说明大自然能 把单个粒子加速到前述那个最高能量。 粒子物理和宇宙射线 就二次世界大战开始时人们所知道的宇宙射线现象来说，只需要用很少几种类 型粒子就足以作出解释。它们就是核子(质 子和中子)、电子(包括它的反粒子正电 子)、γ 射线、中微子以及 μ 子。理论上还需要有介子，它是抗拒质子正电荷间相 互排斥，使原子核结合在一起的强作用 力。因为必须提供很强的核子胶合剂，这就 意味着介子在其间所起的作用必定极强。假如介子从原来的宇宙射线原子核相互作 用中释放出来，必将极强烈地再与空气 的原子核相互作用。其结果就是，介子在原 子核之外的环境下寿命应该很短暂。 遗憾的是， 在宇宙射线簇射中观测到的 μ 子(当年把它当成了这种介子)显然具 有较长的寿命，在扣除了因相对论效应而延长的寿命时间后，它们在衰变前仍然有 足够的时间抵达地面。 可见担负强作用力任务的介子必定与簇射中检测到的 μ 子不 是同一种粒子。 利用不断进步的观测技术， 为了对宇宙射线所提供的 μ 子和其他高能粒子特性 进一步理解，仍在继续进行着不懈的探索。 当云室由其他检测仪器触发运转时，由 于它的高效率曾经成为强有力的研究工具。有一段时间，照相乳胶的使用成为粒子 物理学中给出新发现的得力技术。 这种方法 是第二次世界大战刚结束后不久由英国 布里斯托大学的 C?包威尔(Cecil Powell)首先设计的。这项技术的工作过程是，在 高能粒子穿过乳胶(类似照相机中胶片上的乳胶)时，路径记录便留在乳胶中，胶片 经过显影轨迹就显现出 来。 当前，一项有关技术正用在辐射工作工人的受辐射监视上，他们的工作服上携 带着一个胶片徽章，它能对辐射曝光剂量作 累积记录。照相乳胶包含着相当重的原子核，能作为与粒子相互作用的有效靶子。不过，在使用胶片时，还间或需要几件 辅助仪器设备，当乳胶技术用在粒子物理的 研究时，其显影工作和显微镜查看工作 都是专门技术。核技术胶片上用的是厚乳胶，所以能把宇宙射线相互作用的图像较 完整的记录下来。当把胶片带到高空时，就 受宇宙射线作用而曝光，那里宇宙射线 级联中仍然存在很多高能量粒子。(有些本身是初级粒子)。观测场所可能是高山地 面站，或者把仪器设备负载在气球或火箭 上。二战后的一段时间，英国布里斯托大 学曾成为这项工作的麦加圣地。采用核乳胶技术获得的一项巨大成果是，1947 年找 到了第二种类型的&介子&。 这种被命名为 π 介子的新粒子，是高能相互作用中产生的，它很快就衰变成次 级粒子-μ 子。科学家发现，这类真正的汤 川秀树粒子共有三种，一种带正电荷， 一种带负电荷，一种是中性的。正 π 介子和负 π 介子衰变后，产生了簇射中的正 μ 子和负 μ 子。中性 π 介子衰变后，几乎即刻 就变成了 γ 射线粒子对。在簇射 中，是这些 γ 射线粒子引发了电磁级联。一切均已齐备。圆满说明观测到的宇宙射 线特性所必需的粒子集体已经齐全。 现在，我们对来自空间的宇宙射线有了一个形象的理解，其主要组成是带正电 的原子核(质子、氦核等)。它们携带的巨 大能量分布在很宽的能量范围。其中任何 击中大气的粒子，与空气原子核相互作用后，就产生 π 介子。荷电 π 介子在极短 的时间内衰变成高能 μ 子， 子能贯穿大气 直抵地面。 μ 中性 π 介子几乎立即衰变 成 γ 射线，γ 射线引起电磁级联。虽然每次级联的寿命相对很短，但随着原始粒子 在大气中的深入行进， 继续不断地损耗能量而 一次又一次地引起更进一步的电磁级 联。结果就在地面上出现了电磁级联形成的 μ 子、电子、正电子以及 γ 射线粒子 的粒子混合。这种轰击还可能有一个从原始宇宙 射线遗迹保留下来的中心高能核 心。 第三章 宇宙射线及其所在的宇宙 地面上遇到的&宇宙射线&粒子并不是从遥远星系长途运动到来的原始粒子。它 们是由初级粒子的能量产生的&次级&宇 宙射线。 这些次级宇宙射线出现在穿过大气 的复杂的粒子级联中。以粒子簇射形式出现的这种级联，揭示有关初级宇宙射线的 大量特性。已知能量最大的单个初级宇 宙射线粒子具有 50 焦耳的能量，它相应于 在大约一秒钟里从一个光球发出的功率：虽然不是测量到很多个，但对于单个粒子 来说能量确实是极其巨大的。遗憾的 是，如此高能量宇宙射线的到达率极小，典型 的测量数值为每平方千米每世纪以数个粒子计。不过，较低能量的宇宙射线却数量 很大，最低能量的更是密度高。例 如，当我们在地面高度时，每秒钟会有 100 个低 能量宇宙射线粒子穿过我们的身体。 宇宙射线的研究已变成天体物理学的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能 确定， 人们已普遍认为对宇宙射线的研究能 获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程 的大量信息：射电星系、类星体以及围绕中子星和黑洞由流入物质形成的沸腾转动 的吸积盘的知识。我们对这些天体物理学客 体的理解还很粗浅，当今宇宙射线研究 的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些天体上能产生如此超常能量的粒子。 初级宇宙辐射由荷电粒子构成是这项研究工作的基本障碍。荷电粒子不像几乎 全部其他天文学研究领域中以各种方式利用 的光粒子， 荷电粒子会被弥漫在整个宇宙的磁场弯曲转向。结果是几乎各种情况的荷电宇宙射线粒子都不带有起源处方向 的信息记录，使我们无法作位置天文学的探 索。对宇宙射线到达方向的测量研究会 获得宇宙磁场的有用信息，但对认证宇宙射线的起源用处很少。 然而，我们已经观测到宇宙射线强度的增加与太阳耀斑发生的时间相同，所以 我们得知有些最低能量的宇宙射线来源于太 阳上的爆发活动。 由于射电天文学家观 测到射电波由超新星或超新星遗迹中的高能宇宙射线产生，所以较高能量的宇宙射 线粒子的被加速可能与超新星爆发有关。至 于探讨最高能量宇宙射线，我们必须关 注宇宙中最不寻常的天体来推测宇宙射线的起源。因此，宇宙射线天体物理学包含 着许多最壮观的天文现象和天文学&动物 园&中很多不寻常的成员。 为了理解宇宙射 线的重要意义需要对这个&动物园&的特性范围(range)进行探索。 这是一场大灾变在 其中扮演重要角色的戏剧。 活动星系、超新星和中子星统统朦胧扮演上场。请允许 我们在深入探讨这片未知领域之前，首先考察一番整个宇宙的现代图像。 我们在宇宙中所处的位置 我们的太阳坐落在一个巨大旋涡星系的偏向一边的地方。 这个星系就是银河系。 它是一个聚集着 1000 亿颗恒星，直径 达 8 万光年的圆饼状结构。银河系的构造很 有趣，中心部分稍微鼓胀，四五条旋臂形成星系的旋涡形状。天文学家已经测出这 个星系在绕着中心转动。太阳沿其轨道 旋转一圈须用去 2 亿年，运行的速度快得难 以令人置信，竟高达每秒钟 230 千米。银河系是一个看来普通的星系，它包含着各 个生命阶段的恒星。许许多多新的恒 星正在旋臂中孕育形成，那里仍然有充足的气 体和尘埃，不断成为种子物质。另外，星系的中心呈现出发红的老恒星过剩的样子， 表明星系中心比外围区域恒星开始 形成的更早些。 天文学家于 1918 年测定了太阳和地球在银河系中的位置。仅仅几年之后，他们 就开始看到更加广阔的景象。20 世纪 20 年代早期，美国天文学家 V?M?斯莱弗 (Vesto Melvin Slipher)发现了星系的&红移&，开创了宇宙大小尺度的研究。当时 普遍认为大多数恒星都属于我们银河系。天空中现在已知是另外星系的那些暗弱的 小小 斑点，当时也认为是属于银河系的部分。把它们称作星云，混同于超新星爆发 后留下的云状物，以为它们同恒星养殖场有联系。例如，由于不知道实际的距离而 把和 我们相邻的仙女座星系认为是仙女座星云。但为什么产生红移呢?1842 年，奥 地利物理学家克里斯琴?多普勒(Christian Doppler)首先描述了现今以他名字命名 的效应。随着列车开近，列车鸣笛声调变高。这种我们熟悉的现象是由于运动中的 声源，使声波压紧而造成的。压紧 的声波波长缩短而频率增高或声调升高。列车离 去时产生相反的效应――拉疏的声波使频率减小或声调降低。频率改变的量级直接 联系着列车的速度。这就是多普勒 效应。光源的运动也会观察到这种效应。斯利弗 在从星云射来的光线中探寻着多普勒效应。 他利用摄谱仪(实际上是一块玻璃三棱镜)把遥远星云射来的光线分解成不同组 分的波长。他注意到，具有特定样式的光 谱特征并未落到预期波长处，而那些波长 数值原本是在实验室中测出来的。它们既能向光谱的红色一端移动――&红移&，这 里出现波长增大表明光源正在远去；也 能向光谱的兰色一端移动――&兰移&，光源 正在接近。斯利弗避开银河系最密集的恒星带部分而把注意力集中在星云上。他的 第一个目标是显眼的仙女座星云，检 测出它呈现兰移，而大多数其他星云都呈现红移。一般说来，斯利弗发现暗弱星云正在远去，或者叫做退行，速度极快。然而， 银河系最密集部分以内的星云，其光 谱位移却很小，并似乎红移与兰移恰好相等。 20 世纪 20 年代末，另两位美国天文学家 E?哈勃(Edwin Hubble)和他的助手 M?赫马森(Milton Humason)，完成了再次进一步洞察宇宙的工作。赫马森使用 25 米直径的威尔逊山望远镜在 7 年的时间里取得超过 100 个暗弱星云的照片。赫马森 在威尔 逊山天文台建设时期原来是一个赶骡车运料上山的赶车人， 终于被提升到守 门人的位置，最后成为一位望远镜光谱学家。他所做的仔细而不辞辛苦的工作包括， 从拥 挤的恒星场中挑选出暗弱星云，然后把望远镜的入射狭缝定位到星云上。遥远 星云微弱的光斑既暗弱又模糊，照相曝光时间必需长达数小时直到好几夜。当今， 现代 望远镜上已经用上优秀的跟踪机构，星象追随任务变得非常容易。然而，那时 有着献身精神的赫马森必须在漫长的寒夜里连续不停地检查望远镜的对准和调准狭 缝的 位置。幸运的是，他的全部工作都没有白废。 哈勃和赫马森既利用取得的光谱测定了星云的速度，还试图采用称做赛弗特变 星的特殊恒星测定我们到星云的距离。这种 恒星的亮度变化很有规律，其他天文学 家对邻近赛弗特变星的观测指出，通过测得它们的平均亮度和亮度变化频率就能算 出赛弗特变星的距离。1923 年 10 月 6 日夜里，哈勃在仙女座星云中发现了一颗赛 弗特变星。使他无比惊奇的是，他算出到仙女座星云的距离是 100 万光年(后来改正 为稍远于 200 万光年)，同银河 系的直径约 8 万光年比较，这一距离要比银河系的 尺度大得多。直到此时，天文学家们才确信许多星云并不是本地气体云，而是遥远 的星系，有的就和我们银河系类 似，有些更小，也有更大的。仙女座星云于是立刻 变成了仙女座星系。 哈勃和赫马森已经取得很多星系的距离和速度的数据。他们发现较近的星系有 些呈现红移，有的像仙女座星系那样显示兰 移。这表明本地星系运动复杂，被邻近 的星系施以引力作用的效应显著。然而，更远的星系却全部向远处飞奔!运用经典多 普勃方程，由红移算出退行速度，这个表 观速度正是星系离开我们的速度。当哈勃 画出星系退行速度随距离变动的图解后，他发现了当今称作哈勃定律的直线关系。 星系距我们越远，它的退行速度越快。使 他特别惊奇的是，任何方向上星系都在退 行并能达到很大的速度。 距我们 1 亿光年远的星系正在以每秒钟 1500 千米(500 万千 米/小时)的速度逃离而去!哈 勃发现宇宙在膨胀。 大爆炸理论 为什么星系背离我们向四面八方飞奔?我们处在宇宙中的一个特殊位置上吗?宇 宙有多大?这就是哈勃的天文工作发现对 后来数十年间在广泛的社会民众中引起的 一些问题。在开始提出过许多不成功解释之后，大爆炸理论对宇宙膨胀给出合理解 释。大爆炸理论还能圆满说明为什么宇宙 中包含着如此大量的氦，以及为什么我们 淹没在充满整个宇宙的微波辐射的海洋中。 大爆炸理论最初是在 1946 年，由乔治?伽莫夫(George Gamow)、拉尔夫?阿尔 芬(Ralph Alpher)和罗伯特?赫尔曼(Robert Hermann)提出来的。许多后继者逐步 使得这个理论更加精炼。这个理论的大前提是宇宙有诞生之时。当今我们确信，宇 宙是在 100 亿到 200 亿年前，从 一个极端强烈的火球开始生成的。那次事件的爆炸性质激起膨胀过程，当然不是按照一般熟悉的爆炸方式。事件本身很难刻画，为了 便于想像，这里提出一个经典类 比来说明宇宙膨胀过程――膨胀中的气球。想像有 一个表面贴有许多硬币的气球，每个硬币代表一个星系。这里我们把整个宇宙限定 在气球表面。(这种类比的主要 问题是用二维表面代表三维宇宙!)随着吹大气球，& 星系&间的间隔增大。想像我们站在其中一个硬币上。将看到每个其余硬币都离开我 们远去，而且越远的硬币 向远方运动得越快。这里完全类似于哈勃对实际星系观测 到的情形。显然，无论选定站在哪个硬币上，出现的情况都完全相同，不存在特定 星系，也不存在特定的宇 宙中心。宇宙从无到有到胀大，恰似气球经历空间膨胀。 对星系的观测发现，离我们非常远的星系的红移(或相对于我们的退行速度)与 其距离成正比例地增大。距离加倍给出的红移也加倍。可以表示成&退行速度=H×距 离&。H 是一个不变的数字，称做哈勃常数。H 的准确值尚未取得一致认可，其数值 大概为 20 千米/秒/百万光年。 有些科学家大胆想像了大爆炸以前发生过什么。 射线天文学家赫伯特?弗里德 X 曼(Herbert Friedman)曾向我们提出对圣?奥古斯丁(St Augustine)的问题&上帝创 造天地前做什么&作何评说。基督教教堂一位早期领袖随后回答说：&他在为提出如 此高深问题的人准备地狱!&而科学家的 回答是， 大爆炸前发生过什么的问题本身没 有意义。那里，就像还不存在空间一样，也不存在时间，历史时钟是与空间从无限 小而且无限密的火球开始膨胀的同一瞬 间启动的。 我们只能测算宇宙膨胀的当前速 率，以及推测那个宇宙创生时刻在多久以前。 总而言之，如果我们知道了其他星系对于我们星系远离得有多快，又知道了它 们之间的距离有多远，就能估算出在多久以 前它们都在同一个点的位置上。虽然可 以从光谱测量直接了当地算出那个星系的退行速度，但测定它的距离却比较困难。 尤其是对非常远的星系，其距离更难测量， 那里不可能挑选出像赛弗特变星这样有 用的距离标准。结果就在制作退行速度随距离变化的哈勃图时，形成不确定性因素， 并带到当前的膨胀速率之中。不过，总是 经常意识到存在着这些困难，有助于对这 一常数做出较好的估算。天文学家算得宇宙年龄约在 100 亿年到 200 亿年之间。通 过某些来龙去脉的联系，我们得出太 阳以及我们地球的年龄约有 45 亿岁。 宇宙年龄是有限的，这就解决了一个在天文学中已知的非常古老的问题――奥 尔伯斯佯谬(Olber's Paradox)。简而言之，该佯谬思虑的问题是&为什么夜空是黑 暗的&。我们将认识到，如果宇宙无限大而且无限老，则夜空就不应该是黑暗的。约 在 19 世 纪 60 年代德国天文学家奥尔伯斯重新讨论这一问题后， 该问题被命名为奥 尔伯斯佯谬。早在 17 世纪，即牛顿和开普勒时代，或许就初次提出了这个问题。 牛顿对宇宙的看法是，所有天体都是静止的，空间范围无限大。他是当时这个 流行观点的伟大信仰者。他认为，这种观点 对他提出的新万有引力理论是必需的。 如果宇宙不是无限大，对全部物质来说必定会有中心和边界，重力势必把物质引向 中心。结果最后会合并成一大块单独的物 质。但是，由于每颗恒星都经受着来自四 面八方的引力，所以没有出现那样的尴尬结局。 J?开普勒(Johannes Kepler)是 17 世纪的著名天文学家，他去世后没有几年， 牛顿就出生了。开普勒曾有个不同观点，认为假如宇宙的范围无限大，就会在天空的任何部分都能 见到恒星。天空将找不出黑暗空隙，夜空会变得十分明亮。那么， 夜晚的天空是黑暗的，就是一个佯谬。开普勒利用这个佯谬，为宇宙不是无限大争 辩。在 19 世纪 60 年代，包括奥尔伯斯的其他人的看法是，从非常远的恒星发出的 光，已经被广阔空间中的尘埃区遮蔽。大爆炸理论却提供了与此不同而又十分简单 的解释。如果 宇宙的年龄只有 150 亿岁，则我们不可能看到距离比 150 亿光年更远 的恒星。光速是有限的，这些恒星发出的光还没有足够的时间抵达我们这里。还用 气球作类 比，气球表面上可能分布着离我们比 150 亿光年更远的星系，但是我们看 不到它们。因此，夜晚的天空是黑暗的。要实现无月之夜星空亮到户外能开始阅读 报纸， 需要等待到宇宙年龄更老更老之后。计算表明，当我们能看见 1 亿亿亿光年 远处的恒星时，夜空才会变成白昼似的明亮! 火球的冷却遗迹 大爆炸理论从 1946 年提出后的 20 年间，只不过是许多宇宙学理论之一。然而， 到了 60 年代中期， 由于以到处弥漫 的微弱辐射场形式存在的原始火球遗迹的发现， 大爆炸理论跃升到显赫地位。出人意料的是，这种微弱辐射对最强大的宇宙射线竟 具有巨大影响。对此，本书稍后将 进行讨论。 1965 年，美国 AT&T 贝尔实验室的 A?彭齐斯(Arno Penzias)和罗伯特?威尔逊 (Robert Wilson)正在使用巨型微波天线对来自天空的无线电干扰源进行研究。他们 的研究计划是，使用这台天线系统把电视和无线电信号转播到卫星，以便实现横跨 大西洋的信号传输。作为工作的一部分，彭齐斯和威尔逊引用来自银河系的无线电 信号进行把天线灵敏度尽量提高的研究，因为此处的背景能对通讯发射构成威胁。 他们发现，无论指向什么方向，接收器总收到一个持久的嘶嘶声，它是一个波长 735 厘米的微波信号。他们试用过各种除去这个噪声的办法。最初推测问题出在接 收器 上， 有什么解释还能说明出现在所有方向上的同一个信号呢?他们用液氦冷却接收器 部件和从天线喇叭里面清理掉鸽子粪便(彭齐斯把它称作&可疑的白色介电 物质&) 以后，烦人的嘶嘶声依然存在。 惟一的结论可能是，它是真的辐射，而且充满天空。贝尔实验室的这两位科学 家赋予这种辐射的特性温度在 25 度到 45 度开尔文温标之间。换句话说，它是一种 从其温度刚在绝对零度(0K＝-273℃， 可能的最低温度)以上几度的物体发出的辐射。 尽管极冷，辐射量却很大。彭 齐斯和威尔逊计算出，人站在户外每秒钟会有 1000 万亿个这种微波光子打在头上! 也是在 1965 年，普林斯敦大学的一个理论物理学家小组，恰好也在进行 AT&T 天线站所做的工作。罗伯 特?迪克(RobertDicke)和詹姆斯?皮伯斯 (JamesPeebles)领导的这个研究组，对大爆炸模型很感兴趣，已在考虑用实验证实 或打倒这 个理论。伽莫夫和大爆炸理论的其他创始者曾认为，宇宙创始时的炽热火 球遗迹现今也能检测到。当宇宙极早期很小很密的时刻，温度极高，飞行的光子在 电磁频谱 的 X 射线和 γ 射线范围。从那时起，随着宇宙膨胀空间在扩张，就像我 们作类比的气球表面那样。空间扩张的结果是使光子的波长被拉长。波长拉长意味 着光子具有 较小的能量和较低的温度。 迪克和皮伯斯听到了彭齐斯和威尔逊的有关发现后就立刻进行联系。他们根据计算结果作出预报， 由大爆炸存留下来的辐 射遗迹当前具有恰好在绝对零度以上几 度的特性温度。两篇论文，一篇由迪克和皮伯斯撰写，另一篇由彭齐斯和威尔逊撰 写，几乎立刻同时完成。发表在 1965 年 同一期《天体物理杂志》上。该项发现的 新闻还登载在《纽约时报》首页上。彭齐斯和威尔逊说，直到这时他们才认清了所 作观测的重大意义!后来两人共同获得了 1978 年诺贝尔物理学奖。 微波背景辐射的发现，把两三个竞争中的宇宙模型之一的大爆炸模型推进到首 要地位。原始火球的纤弱痕迹的存在，为大 爆炸理论增加了很重的分量，是火球解 决了宇宙空间氦元素过剩的问题， 这是 20 世纪四五十年代天文学家首先搞清楚的问 题。恒星的确在核心中通过核聚变过程由 氢合成氦，但是还有过多的氦不能用这个 机制解释。宇宙开始创生的时刻，温度和密度类似于当前恒星内部的条件。所以， 氦也必定在炽热的早期宇宙中到处都能产 生， 共同产生的还有微量的次重元素锂和 铍。这些种元素同宇宙中其他元素，自膨胀开始就播种着第一代恒星与星系。 于是，大爆炸理论成功地解释了(或者说预言了)现代宇宙学的三大主要基石 ――宇宙膨胀，轻元素比率和微波背景辐 射。多年来的各种观测，包括 1992 年 COBE(宇宙背景探测器)卫星对微波背景辐射的精确测量，使大爆炸理论的地位越来 越巩固。种种观测表明，宇宙背景 辐射严格依照着理论预言的频谱非常均匀地分布 在整个天空。 已知这种辐射现今的特性温度是 2.7， 数值恰好在彭齐斯和威尔逊当初 估算的&棒球场&内。 类星体与活动星系 宇宙是个极大的场所， 用银河系的尺度(1000 亿颗恒星聚集在 8 万光年直径的圆 盘中)很难估量。据天文学家估计， 在观测到的宇宙部分就有数百亿个星系!它们的 尺度范围从麦哲伦云那样的恒星不规则聚集团块， 到像我们银河系这样的旋涡星系， 直到比银河系大十倍的巨型椭圆 星系。除了用尺度外，还能根据它们强大的发射对 星系分类，有些星系的发射强度远比数十亿普通恒星聚集起来大得多。它们极其巨 大的能量输出使许多人想到，星 系中心可能隐藏着超大质量黑洞。黑洞的无比巨大 的引力是最显著的能量源泉。 已知这类星系发出从无线电波到 γ 射线广大范围内总 量极其巨大的辐射。对我们的论 述尤其重要的是，据推测这些天体与最高能量宇宙 射线的产生有关联。稍后再描述有关这些黑洞&发动机&的情况，这里首先按年代先 后来讨论。全部各种星系的发 现之中最让人迷惑的是类星体的发现。类星体研究是 20 世纪 60 年代的十年间的另一个研究热点。 1960 年，在一次美国天文学会的会议上，A?桑德奇(Alan Sandage)报告了他对 射电星 3C-48 的观测研究。这颗&星&是罗列在剑桥大学天文学家编制的第三射电源 表(3C 代表剑桥第三表)上的强射电源之 一。 桑德奇是在射电信号位置认证出可见光 源的第一人(因此相应的光源称做光学对应体)，桑德奇对看到的新现象深感困惑。 不像许许多多其他 3C 天体，这个天 体看起来的确不像星系。照相底片显示，这个 类似恒星的天体有非常奇异的光谱，还包括桑德奇辨认不出从哪种元素或化合物发 出的发射谱线!他把这项研究归入过 于困难的一类存档放了两年。 同一时期，C?哈泽德(Cyril Hazard)领导的澳大利亚射电天文学家科研组，正 对同一射电源表中的另一个源 3C-273 进行观测。 由于早期的射电望远镜不能精密确定射电信号的天空 坐标，没能找到这个射电源的光学对应体。碰巧 1962 年月亮从 3C-273 前面经过，哈泽德和他的合作者们准备好届时跟踪无线电信号的强度变化。 这次&掩 源&的准确时刻给出了这个射电源非常精确的位置， 还显示该源实际上有两 个发射点或叫做&核心&。两个核的发射一强一弱，距离间隔非常小，只有 1/200 度。 哈泽德同他的研究小组仔细地对这一天区的照相巡天底片作了检查。在两个射电核 心中较弱核心的位置上，他们找到一颗十分暗弱的兰星。 当时，哈泽德请求美国天文学家马丁?施密特(Maarten Schmidt)将 200 英寸帕 洛玛光学望远镜瞄准这颗星。施密特能确认在另一个较强射电源核的位置有一微弱 的发光喷流。这就足以证明它是一颗十分奇异的 星!当施密特拍下它的光谱后，就 更看到它的怪异。同两年前的桑德奇一样，他也发现其中有辨认不出的一组发射谱 线。关于这些光谱他似乎觉得有点熟悉。距他的 观测 6 个星期之后，好运终于落在 施密特的身上。他省悟到那些谱线的样式很像氢的实验所测得的谱线图样，不过那 些线条落在错误的位置上!波长全部向着光谱的 红端位移了 16%。 施密特立刻认识到 他的发现的重要含义。他回到家里并向家人说：&今天，重大事件果真碰巧落到我的 头上。& 施密特确信，由于 3C-273 以巨大速度从地球向外逃离，于是形成了红移光谱。 这颗星并非恒星，最大的可能是，它 是一个具有宇宙膨胀所赋予的巨大退行速度的 十分遥远的星系。16%的红移意味着它的速度高达光速的 16%，或者说每秒 48000 千 米!这个红移量级比以往 见过的大得多，例如，哈勃和赫马森只见到大约接近 1%的 红移。施密特的同事杰西?格林斯坦(Jesse Greestein)立刻认识到，早先桑德奇测 定的 3C-48 的神秘光谱也是同一类光谱，只是更加走向极端，其中谱线异常高的移 动量竟高达 37%。 早先无 人认识这些图样并不为奇。 那样大的退行速度意味着什么， 至今仍然令人们吃惊。根据哈勃的膨胀定律(退行速度对天体距离的关系定律)，这 个速度意味着该射电 源在 40 亿光年以外。如此遥远的星系，怎么还能看起来像是 天空最亮的射电源之一呢? 3C-48 的射电亮度被查明有周期不到一天的变化。 这个简单的观测结果引出一个 难以相信的疑难，因为天体物理学中 有一条规律，说一个天体其亮度的变化不能比 光线横穿这个天体用的时间更快。这条规律能帮助我们想明白问题。想像某种天体 的直径有 10 光日，假设从这个天体 的所有地点同时发出无线电波，并想像这个天 体是透明的，所以就能看见从天体上最远端发出的辐射。由于这个天体的大小是 10 光日，所以它远端发出的无线电波 要比近端发出的无线电波晚到地球 10 天。换句 话说，即便假定从这个天体的每个部分同时发出很短的辐射脉冲，例如只不过一秒 钟的宽度，我们也将见到这个脉冲 持续 10 天。如果这个天体释放的脉冲比 10 天更 长，我们将看到它的真实持续时间，但是持续时间比 10 天短的脉冲都看不出来，只 因为这个天体的大小有 10 个 光日。 因此， 3C-48 亮度变化的时间尺度只有一天就表 明，该天体的发射区无疑很小，仅有一个光日的量级。显然这个发射区比我们太阳 系大不了多少! 格林斯坦和施密特为有这些现象的源新造了一个名字叫做&类星体&，以表明它 是类似恒星的天体。从 20 世纪 60 年代 初以来，天文学家已经发现了数百个这种具 有很大射电亮度和极远距离的天体。其中有些测得其距离超过 100 亿光年，每个的 亮度相当于几百个星系。体积尺度只 有我们太阳系这样大小的天体，如何能以如此巨大的能量发射，是 30 多年中天体物理学家们一直面对的挑战。 一些证据似乎引向这样的看法，类星体是中心藏有强大&发动机&的星系。这种 发动机显然应该是一个许多种类型的辐射 的发射源泉。横跨整个电磁波频谱，从无 线电波直到 γ 射线，都观测到一些类星体。从我们的视角看来很重要的是，当前的 类星体模型还表明，它们是强大的粒子加 速器。类星体与银河系这样的星系确实差 别很大。我们银河系也发出大量辐射，但距类星体的发射水准却相差极远。在一端 是类星体另一端是银河系这样的星系之 间， 有一类星系在功率输出上填补了这个空 隙。它们就是&活动&星系，它们虽不及类星体那样遥远，却另具突出特色。 二战期间，美国天文学家卡尔?赛弗特(Carl Seyfert)在编制旋涡星系表时， 发现了第一例活动星系。他碰到的这个星系亚群现在称做赛弗特星系，它们显出有 很亮很密实的中心核。赛弗特的光谱研究 揭示出，一个赛弗特星系其亮度的大部分 来源于中心处极热气体湍流云的急速运动。当前已经知道的赛弗特星系有数十个， 其中最亮的与弱类星体能量输出接近。 另一类活动星系以著名的星系 CenA(半人马座 A)为代表，它是天空最亮的射电 源之一，是早年澳大利亚射电天文学家发现的一个星系。 射电望远镜开始在世界范围使用的 20 世纪 40 年代，CenA 几乎是第一个被发现 的射电源。它所以会那样明亮其部分 原因是由于距离较近，它就在我们&后院&，同 我们的距离仅有 1500 万光年。 通过光学望远镜来看 CenA， 看到它是一个巨型椭圆星 系，一条粗大的尘埃带& 走廊&从星系中心横过，遮蔽掉部分光亮。它的触目外观给 予人们深刻印象。其实，它的真实景像只能在射电频谱中见到。能见到走廊两端有 两个称为射电瓣的极强 大的射电波源，更远处还有第二对瓣。实际上，外瓣距星系 中心有 100 万光年那样遥远，CenA 在射电天空要伸展到 4 度!CenA 是第二类活动星 系中首先被 发现的成员，称做双射电源。射电天文学家在许多这类星系的瓣中发现 了高强度节点和较低强度空洞形成的很多结构。跟有些较近的类星体类似之处是， 在包括 X 射 线和 γ 射线在内的其他波段也观测到一些这类双射电星系。 活动星系发动机 类星体、赛弗特星系和双射电源的中心区无疑存在着某种特殊的情况。这种特 殊活动中心区，最近给予一个专用名称，叫 做活动星系核，或写做 AGN。AGN 内部 运行的机制是什么?假如把&效率&规定为， 运行过程中对于给定输入总燃料能获得多 少能量输出，则最有效的过程之一 便是核聚变。这就是普通恒星的能源，这个主题 我们留待下一章讨论。把相当于燃料质量的能量包括在能量之内时，聚变过程的效 率为 0.7%。 恒星核燃料的这部 分质量最后全都转化为能量。 效率虽小但全部质量所 提供的能量总量却非常巨大，这就是为什么科学家耗费数十亿美元试图模仿恒星聚 变来建立发电站的理由。然 而，在天体物理领域另有其效率至少还要大 20 倍的过 程，不过用来在地球上建立发电站产生能量却很不实际。让我们从中子星开始举例 说明。 中子星是从大质量恒星死亡时超新星爆发中形成的一种十分浓缩的天体。这种 遗留下来的非常紧密的恒星核，它的典型质 量比太阳略大，挤压在只有 30 千米直径的体积中。这意味着中子星的密度非同寻常，整个星同原子核的密度一样。现在 考虑一颗中子星与一颗普通恒星在相互的轨 道上运动。假如轨道充分小，则普通恒 星的外层大气将被中子星的强大引力吸引过去。中子星的强大引力是由中子星的很 大质量集中到很小体积后造成的。捕获到的 气体收集在&吸积&盘中。吸积盘就形成 在与中子星自转轴垂直的平面中。随着气体物质向致密的中子星旋落，不断地得到 能量；正像下落的球在落向地球时，不断 增大速度获得动能一样。两种情况下都从 引力获取能量。因为中子星周围引力极强，所以下落的气体原子能取得巨大能量。 能量显然是热能，使吸积盘具有极热的内 边缘。从这种双星系统发出的 X 射线就是 从吸积盘的内缘处发出的。这个过程的效率大得惊人，释放的总能量约相当于下落 气体质量的 20%。 这就是活动星系核中所需要的那种效率。许多年里，人们对于 AGN 发动机的本 性有怀疑，当前哈勃空间望远镜的观测提 供了某些证实材料。AGN 似乎隐藏着超大 质量黑洞，它的能量就是来源于黑洞的万有引力吸引过程。换句话说，AGN 的中心地 域很像是中子星吸积的放大版本， 这里代替中子星的是巨型黑洞，巨型黑洞聚集庞 大的吸积盘，通过这个十分有效的机制产生辐射。黑洞是具有极强引力场的一种天 体，引力场强大到甚至光线也不能 从它附近逃离出来。天文学家预言说，黑洞是由 质量非常大的恒星坍缩而成的。总之，天文学家认为 AGN 的中心存在着更大的黑洞 ――不仅只有 5 个或 10 个太阳 质量，而是 1 百万个太阳质量，或许更大。 如果双星系统内形成一颗中子星，它距另一颗星可能非常近，通常它的引力能 把那颗星外围地区的物质吸引过来。这些物 质在流向中子星的过程中被加热，形成 包含着强电磁场的热吸积盘，这里的电磁场能对宇宙射线粒子加速。这种系统的例 证如天鹅星座 X3。我们将在第七章和第八 章中进行讨论。 M87 是远在 5000 万光年处的室女座星系团中心附近的一个巨型椭圆星系。它是 室女星座中最亮的射电星系，被定名 为室女座 A(VirgoA)。很多年前天文学家就知 道这个天体是双射电源。 在可见光波段显示， 它从核心射出的一个喷流结构远达 5000 光年。 这个暗弱的蓝 色图像恰似施密特观测到的从 3C-273 发出的喷流的微型翻版。 3C-273 的喷流据估计长达 16 万光年。 早期对 M87 的光学观测， 还显示它有另一个与 类 星体共同之处。其中恒星极度向星系中心群集，使该天体具有极其明亮的核。 直到 1994 年，当已修复的哈勃空间望远镜深入地凝视到 M87 中心时，对这个结 构更细致的观察才得以实现。 H?福 特(Holland Ford)和 R?哈姆斯(Richard Harms) 是进行这项观测工作的两位天文学家，他们面对着看到的清晰图景大为吃惊。发现 有个盘状炽热气体旋涡环绕着核心旋转。就星系整体的椭圆特性来 看，在其中心近 旁发现这样的旋涡结构，确实有些令人惊奇。哈勃望远镜所具有的卓越的分辨率， 使福特和哈姆斯对旋涡内缘作分光测量成为可能。 他们的目标是利 用多普勒效应揭 示打旋的气体和尘埃的速度。这里的气体显示极高的温度，约 10，000，盘所发出的 光，一侧是红移，另一侧是蓝移。这正好是天文学家所预期 的结果，旋转中的吸积 盘从倾斜的角度看来，一侧正在离去，另一侧正在靠近。 这里惊人的速度量级使福特和哈姆斯激动，速度竟高达每小时 200 万千米，或 每秒钟 55 千米!这就是存在黑洞的证 据。 打旋气体速度所提供的结果并不是旋涡中 心所含质量的直接测量， 而是运用自 17 世纪开普勒时期就知道的定律推算出质量的方法取得的。 通过观测所取得的结 论是， 亿个太阳的质量集中在比太阳系大不了 24 许多的空间里。这里对中心天体的本性，并没有留下什么疑惑!照福特的话说，&假 如不是黑洞，我不知道它还是 什么。大质量黑洞实际上是对所见到的 M87 的保守解 释。假如它不是黑洞，那一定是用我们当今天体物理学理论更难理解的事物&。这次 观测所获结果绝非侥幸所 得，同一个研究组于 1995 年 12 月，在活动星系 NGC4261 的核心又找到了另一个超大质量黑洞。这个星系也位于室女星座，距我们却在 1 亿 光年的两倍距 离之外。 看来这超大质量黑洞未必是预言指出的那种作为大质量恒星寿命终结时产生的 黑洞。实际上这里产生超大质量黑洞所需要 的条件还远达不到。广义相对论早就指 出，产生黑洞所要求的物质密度(为了重力强大到足以阻止光的逃离)与黑洞质量的 平方成反比。所以，当物质密度达到每立 方米 1000 亿亿千克(原子核密度的 20 倍) 就能产生太阳那样大的质量的黑洞。 产生 10 亿个太阳质量的黑洞只要求密度达到每 立方米 10 千克，这要比水的密 度还小 100 倍! 所以活动星系核的最佳模型是，巨大质量黑洞围绕着一个向内汇集物质的旋转 着的吸积盘。吸引来的物质可能是来自星际 环境的气体和尘埃，也可能来自整个的 恒星!吸积盘中的物质在向内旋进的过程中运动得越来越快。 在摩擦把动能转化成热 能的过程中物质变得更热。对吸积盘内边 缘处的气体所施加的力非常大。除了向外 的热流压力和十分强大的辐射压力之外，还有一个非常强大的离心力作用在急速自 转的物质上。因为有了这许多因素，黑洞 不会吞进所有的物质。事实上，对某些物 质来说，阻力最小的路径既不是向内进入黑洞，也不是向外待在吸积盘平面中，而 是这些物质以接近光速的巨大速度，在垂 直于吸积盘的两个相反方向上，以喷流的 方式射出。 我们从类星体和活动星系中看到的，就是这种发出大量射电辐射的相对论性喷 流。天文学家们认为，除了高速粒子，喷流 也发射快速运动磁场。这些场和粒子结 合，经由同步加速器过程，产生射电发射。高能带电粒子(主要是电子)在环绕磁力 线作螺旋运动中失去能量，主要转化成无 线电波。由于喷流速度极高，而且保持着 紧紧的束缚状态，所以能从星系核一直延伸到几千光年。喷流中缠搅在一起的磁场 结构随着核心喷射出越来越多物质而不停 地变化。另一方面，似乎沿喷流在很远处 都可以形成半永久性节点，或形成磁场聚集。激波也从剧烈活动的核心不断地沿喷 流运动。天文学家认为，当激波在磁场中 碰到节点时，波前携带的高能粒子与磁场 节点相互作用就产生出非常强大的同步加速器辐射。我们在双射电源中就见到从喷 流的瓣中发出这种辐射。 最近，一位名叫 P?巴特(Peter Barthel)的荷兰天体物理学家，在统一不同种 类的活动星系方面提出一个人们乐于接受的理论。巴特认为，类星体与活动星系都 需要有超大质量黑洞和吸积 盘提供特种能源。他于是提出，类星体与其他各种活动 星系实际上都是同一种类型天体。把它们分成不同种类只不过由于观看它们的视角 不同!按照标准理论，中心 黑洞吸积着大质量旋转盘和向外射出一对高能喷流。如 果该天体在天空的方位处在我们差不多从边缘方向看见吸积盘的情况下，就会对两 个喷流中的节点占有很好的 视角。天文学家就把这个天体分在双射电源类。另外， 巴特争辩说，如果碰巧喷流指向接近我们的方向，我们就完全看见另一种不同的情 景。这时从喷流发出的总量 极大的辐射，直冲向我们，特别显著的明亮和恒星状特性就显出类星体的模样。巴特的模型极具感染力。它满足科学奋斗任务的伟大目标 之一，即通过统一概念和理 论的寻求将纷繁复杂的大自然简单化。尽管巴特的模型 尚处于萌芽时期，至今还没有人认真反对。 活动星系和大质量黑洞或许就是使最高能宇宙射线获得能量被加速的最初地 点。本书稍后将论述到，这些天体几乎是惟一 能把质子加速到超过 50 焦尔能量的 天体。这样巨大的能量要比束缚在地球上的粒子加速器给予质子的能量大 1 亿倍。 最高能宇宙射线一经产生，就洞穿星系际空 间。惟一障碍是微波背景辐射的光子。 同大爆炸的这些纤弱遗迹碰撞，虽然剥夺掉宇宙射线的一些能量，但是却为我们提 供了某些有关宇宙射线起源的宝贵线索。 第四章 恒星及其结局 现在让我们向着附近环境的更远处探索。我们银河系包含着许多对高能物理观 察相当重要的天体。 本书中即将涉及的许多 高能现象源于比太阳质量更大的恒星在 死亡线上的挣扎。天文学家认为所有恒星都产生在稀薄气体云和尘埃因引力而导致 坍缩这一方式下。不过，恒星的初始质量大 小却是影响它如何演化、存留多久及其 死亡结局的主要特性。巨大质量恒星会以激变的超新星爆发形式而终止其一生，身 后留下一颗引人注目的中子星(或许是黑 洞)， 并且不断显现出高能物理学前沿上见 到的许多现象。 恒星的诞生 对于气体和尘埃缓慢自转的球体所形成的恒星，已提出一个共同的恒星诞生图 像。但过程的细节尚不清楚，特别是还没有 提出坍缩的稍后阶段关于行星形成的清 晰理论。然而，随着巨大红外望远镜的出现使得这些过程的研究变得比较容易了， 因为它能深入地看到我们银河系的朦胧部 分，那里是气体和尘埃密集的区域，包含 着恒星的孕育场所。那里的主要气体――氢的密度是每立方厘米约 100 个原子，这 比星系中氢的平均密度大 100 倍。氢 存在于巨大的云中，同尘埃和其他气体共同形 成早期几代恒星。或许是由特别致密的区域播下种子，气体尘埃云在引力作用下经 过坍缩而产生了称作原恒星的气体自 转球体。 原恒星不会立刻变得看起来行为像太阳那样。它还不能通过核聚变产生能量， 而是开始得到热能。这时气体加热是通过开尔文?亥姆霍兹收缩过程进行的。就像 给自行车轮胎打气时，增加胎内气压伴随着轮胎被加热一样，随着气体的坍缩原恒 星的温度将持续增高。 20 世}