七、反质子现身

 

　　撰文 埃米利奥•塞格雷(Emilio Segrè) 克莱德•E•威甘德(Clyde E. Wiegand)

 

　　赛格雷是1959年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1956年6月《科学美国人》

 

　　25年以前，基于相对论和量子力学中最基本的原理，英国剑桥大学的狄拉克(P.A.M. Dirac)提出了一个方程，以量化的方式描述了电子的许多性质。只须代入电荷、质量以及自旋值，就能准确推导出电子的磁矩以及它在氢原子里的行为。然而，狄拉克发现，这个方程不仅需要带负电的电子，还需要带正电的电子(正电子)存在。换句话说，它不仅描述了已知的带负电的电子，而且还引入了一种完全对称的粒子，它与普通电子完全一样，只是电荷为正而非负。

 

　　在狄拉克作出预言数年之后，在宇宙射线通过云室产生的粒子之中，美国加州理工学院的卡尔•D•安德森(Carl D. Anderson)发现了正电子。这一发现促使物理学家投入到一段全新而艰难的旅程，开始寻找另一种假想粒子。最终，他们的努力在几个月之前得到了回报。

 

　　经过微小的修改，狄拉克的基本方程应该还适用于质子。在这种情况下，方程同样预言了质子的反粒子——反质子的存在。它与质子一模一样，只是带电为负而非正。

 

　　这时，一个问题浮现出来，需要多高的能量才能在实验室里用加速器制造出反质子？因为反质子只能与质子成对地制造出来，所以我们至少需要相当于两个质子质量的能量(即约20亿电子伏)。但真正准备实验的话，我们需要比20亿电子伏高得多的能量。要想将能量转化为粒子，我们必须使能量聚集到一点；通过让高能粒子撞向靶子是实现这一目标的最好途径，例如让两个质子对撞。撞击之后，我们应该有4个粒子：两个先前的质子，外加一对新制造的“质子—反质子对”。碰撞出的这4个粒子中，每一个都具有约十亿电子伏的动能。所以，产生一个反质子需要20亿电子伏(生成“质子—反质子对”)加上40亿电子伏(四个产物粒子的动能)的能量。美国加利福尼亚大学的高能质子同步稳相加速器就是根据这些数值设计建造的。

 

　　当高能质子同步稳相加速器用60亿电子伏的质子轰击铜靶之后，接下来的任务就是探测并识别生成的任何反质子。一种搜寻方案是由本文作者、欧文•张伯伦(Owen Chamberlain)和托马斯•伊普西兰蒂思(Thomas Ypsilantis)提出的，他们利用了3个便于确定的特性。首先，粒子的稳定性意味着它的寿命应该足够长，能够穿过长长的仪器；其次，粒子经过外加磁场时，它们的偏转方向可以反映粒子的带电性，因此通过这一点，就可以判断出反质子的负电性。最后，在磁场强度和粒子速度已知的情况下，反质子的质量可通过它的运行轨道的弯曲度计算出来。

 

　　到去年10月宣布反质子的发现时，上面的三位科学家已经记录了60件事例，平均产生率大约相当于每运行高能质子同步稳相加速器一小时，就能发现4个反质子。这些反质子都已通过了我们在实验前预先设定的所有测试。一位刚刚完成了一项重要且困难的介子实验、拥有很高声望的同行对这项发现的评价让我们十分开心。他在检查了我们的实验之后说：“我希望自己的µ介子实验也能够像这个实验一样令人信服。”至此，那些一直打赌反质子存在的人开始得到回报了，我们知道的最大赌注是500美元(我们自己倒没有参与)。

 

　　八、希格斯玻色子存在吗？

 

　　撰文 马蒂纳斯•J•G•韦特曼(Martinus J. G. Veltman)

 

　　1999年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1986年11月《科学美国人》

 

　　希格斯玻色子是以英国爱丁堡大学的彼得•W•希格斯(Peter W. Higgs)的名字命名，这种粒子是标准模型中最重要的缺失部分。标准模型是描述物质基本构成，以及各成分间基本相互作用力的主流理论。根据标准模型，所有物质都是由夸克和轻子构成，它们彼此之间通过4种力相互作用：引力、电磁力、弱力和强力。举例来说，强力将夸克束缚在一起形成质子和中子，构成原子核；电磁力将原子核和电子(轻子的一种)“绑”在一起，形成原子，剩余的电磁力再将原子组合成分子；弱力在某些原子核衰变中起作用。弱力和强力仅在很短的、不超过原子核半径的范围内起作用；引力和电磁力的作用范围无穷大，所以它们最为人们所熟知。

 

　　尽管对标准模型知根知底，我们仍有理由任务它还不完备，这时就轮到希格斯玻色子出场了。具体来说，标准模型需要希格斯玻色子赋予自己在数学上的完整性，使它的适用能量范围虽然超越了现有粒子加速器的能力，但很快可由未来加速器实现。除此之外，希格斯玻色子被认为是所有基本粒子的质量之源——从某种意义上说，粒子通过“吞食”希格斯玻色子来获得质量。

 

　　希格斯玻色子的一大缺陷是，科学家到目前为止还未发现过它存在的证据(欧洲核子中心于2012年7月4日宣布，他们发现了一种符合希格斯粒子属性的粒子，并且有极高的可信度)。相反，有很多间接证据已经暗示，这种神秘粒子其实并不存在。的确，近代理论物理学在不断向真空中添加希格斯玻色子之类的、五花八门的新玩意儿，让人们觉得在晴朗的夜空中还能看到星星是多么不可思议！虽然，未来的加速器或许能找到希格斯玻色子存在的证据，并且证明假设存在的原因是正确的，但我仍坚信事情并不是那么简单。我必须指出，这不意味着整个标准模型都是错误的。相反，标准模型很可能只是对真实世界的一个近似反映——尽管已经很接近真实世界。

 

　　通过在高能物理实验室进行的散射实验，人们可以研究基本粒子间的相互作用。例如，一束电子能被质子散射。通过分析入射粒子的散射模式，就能获得关于相互作用力的信息。

 

　　电弱理论成功预言了电子与质子相互作用的散射模式，也同样成功预言了电子同光子、W玻色子(传递弱场的粒子)和中微子的相互作用。然而，该理论在试图预言W玻色子彼此之间的相互作用时遇到了困难。特别是从该理论出发可以得出，在足够高的能量下，一个W玻色子被另一个W玻色子散射的几率大于1。这样的结果显然有悖常理，相当于说即使一个人向靶子的相反方向扔飞镖，仍能正中靶心一样。

 

　　就在这时，“救星”希格斯玻色子出现了。希格斯玻色子同W玻色子以某种方式耦合，能让散射几率回落到允许的范围：0到1之间的一个固定值。换句话说，将希格斯玻色子引入电弱理论后，“消除”了不合理的结论。

 

　　了解了希格斯玻色子是让电弱理论重新变得正常的关键之后，就很容易理解应该如何搜寻这种难以捉摸的粒子了：W玻色子必须要以极高的能量(等于或大于一万亿电子伏)相互散射。这一能量能在规划中的“超导超级对撞机”上达到，它可以实现20TeV能量的对撞。美国正在考虑建造它。如果粒子的散射模式与重整后的电弱理论相符，那么必定存在一个抵消力，而希格斯玻色子就是一个最明显的候选者。如果模式与预言不符，那么W玻色子之间就很可能是强力相互作用，这将开辟一个全新的研究领域。

 

　　九、技术应用

 

　　光学激光器引领信息革命

 

　　撰文 亚瑟•L•肖洛(Arthur L. Schawlow)

 

　　1981年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1961年6月《科学美国人》

 

　　至少半个世纪以来，通信工程师都梦想拥有一种设备，能像产生无线电波那样高效、精确地产生光波。一个普通白炽灯泡辐射出的电磁波的纯度，同无线电波发生器产生的电磁波相比，简直有天壤之别。电磁振荡器产生的无线电波的波长，限制在很窄的电磁波波段，“噪音”很低，可以用作信号载波。相反，所有传统光源基本上就是“噪音”源，除非以最粗略、原始的方式用作信号，这类光源几乎不适合做任何事。然而就在去年，随着光学激光器的出现，精确控制光波的产生成为可能。

 

　　虽然光学激光器只是刚刚出现，但它们已经产生了极高强度且高度定向的光束。与来自其他光源的光束相比，这种光束的单色性要好得多。

 

　　光学激光器是全新的光源，需要一些想象力才能预测它的潜在应用。当然，信息传递是最显而易见的应用，这个方向的应用获得的关注也最多。虽然自古代以来，人类都在使用光线来传递信号，但由于自然光源的强度很弱，“噪音”很大，使它的应用受到了限制。我们可以把普通光束看做一种纯净的、均匀的载波，只是光源里的那些一个个原子会随机发出光脉冲，变成“噪音”。但光学激光器能够提供几乎理想的均匀波，除了人工加入的信号外，没有任何噪音。

 

　　如果能找到合适的调制方法，相干光波(频率、振动方向和相位差都相同的两列波)应该能够携带海量信息。因为光的频率很高，即使在可见光范围内一个很窄的波段里，一秒钟也会包含数量巨大的振荡周期。光波能传递的信息量与每秒的周期数成 正比，因此也同波段宽度成比例。在传播电视信号时，载波带有的信号具有400万个周期的有效频宽。一个光学微波激射束完全能够携带一个频率(或者说频宽)为1000亿个周期的信号。当然，前提是能找到生成这种信号的途径。具有这一频率的信号能够携带的信息量，相当于现在所有无线电通信频道的总和。必须承认，没有光束能够很好的穿透雾、雨或雪，因此想要在实际的通信系统中应用，光束必须被封闭在管道里。