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中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第5部分
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卑呀浩礁呖帐保褪苡钪嫔湎咦饔枚毓猓抢镉钪嫔湎呒读腥匀淮嬖诤芏喔吣芰苛Ｗ印＃ㄓ行┍旧硎浅跫读Ｗ樱９鄄獬∷赡苁歉呱降孛嬲荆蛘甙岩瞧魃璞父涸卦谄蚧蚧鸺稀６胶蟮囊欢问奔洌⒐祭锼雇写笱г晌庀罟ぷ鞯穆蠹邮サ亍２捎煤巳榻杭际趸竦玫囊幌罹薮蟪晒牵�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，μ子能贯穿大气直抵地面。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。
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□ ＇澳＇罗杰·柯莱等/著 车宝印/译
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。X射线天文学家赫伯特·弗里德曼（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
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