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2012-10-16 14:07 上傳
二、X射線之星
撰文 里卡多•賈科尼(Riccardo Giacconi)
2002年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1967年12月《科學美國人》
星際空間里，充斥著各個波段的電磁輻射，從超短波的伽馬射線和X射線，到波長很長的無線電波，無所不包。但是，由於我們的大氣層屏蔽掉了大部分波長的宇宙射線，它們中能到達地球表面的只是很少一部分。特別是對波長短於2 000埃(1埃=10-10米)的電磁輻射來說，地球大氣是一層不可穿過的障礙。因此，科學家只能用氣球或火箭，將探測儀器送到大氣層之外來探測來自宇宙的X射線。
隨著火箭發射越來越頻繁，將儀器送到太空的機會也越來越多，美國麻省理工學院的布魯諾•B•羅西(Bruno B. Rossi)建議，對天空中的X射線進行掃瞄，而我們這個來自美國科學和工程公司(American Science and Engineering)的研究團隊，就承擔了這項任務。
1962年6月18日，載有探測儀器的Aerobee探空火箭在美國白沙導彈靶場發射升空。這項實驗是在羅西的幫助下，由我和赫伯特•古爾斯基(Herbert Gursky)、F. R. 泡利尼(F. R. Paolini)一起合作準備的。在火箭到達最大高度225千米之前，火箭會在一個特定時刻將艙門打開，暴露出探測儀器。隨著火箭沿自身軸向旋轉，探測儀器就能掃瞄120度張角的帶狀天區，其中包括月球的方向。
來自探測儀器的遙測信號顯示，儀器沒有探測到任何來自月球的X射線輻射。然而，在南方天空的天蠍座方向上，探測儀器發現了一個很強的X射線源。根據計數器的記錄，這個X射線源的強度是人們預料中的、來自任何遙遠宇宙射線源的(根據太陽X射線輻射強度估算)100萬倍。
對數據進行了三個月的仔細研究後，結果証實上述輻射確實是X射線(波長為2到6埃)，來自於太陽系外，射線源大約在銀河系中心的方向。究竟是哪一種天體能夠輻射出如此高能的X射線流呢？
我們又在一年中的不同時段進行了兩次火箭探測(1962年10月，以及1963年6月)，利用三角測量法縮小了這個強X射線源的位置範圍。我們發現，其實它並不在銀河系中心。同時，美國海軍研究實驗室的赫伯特•弗里德曼(Herbert Friedman)及其同事，成功將該射線源定位在了2度弧(2度圓心角所對應的弧長)的天區範圍內，這意味著該X射線源是一顆單獨恆星，而不是大量恆星的集合。
現在，該射線源是一個獨立天體的証據已經很充分了，所以我們將它命名為Sco X-1(取自天蠍座，Scorpius)。人們或許會想，能以X射線的形式輻射出如此多的能量，該天體應該是清晰可見的，至少也應是一顆相當明亮的恆星。然而，那一天區里並沒有什麼顯眼的恆星。
接下來的任務就是，從已確定區域里的那些可見的恆星中，找出X射線星。Sco X-1的位置已經被縮小到了1度弧的範圍內，在那一區域的天空裡，每平方度(半徑為R的球體上，面積為π2R2/1802)的天空裡約有100顆13等星。在對新獲得的數據進行了詳細分析後，我們得到了更精確結論：目標恆星必定位於兩處候選位置中的一個。
根據這一結果，日本東京天文台、美國威爾遜山天文台和帕洛瑪天文台將望遠鏡對準了那兩個方向，希望找到Sco X-1。東京天文台的天文學家立即發現了這顆X射線星。一個星期之內，帕洛瑪天文台証實了這一發現。
現在，科學家可以用光學天文望遠鏡來觀測Sco X-1了，它那令人震驚的新特性也逐漸展露在了我們面前。最令人震驚的事實是，這顆恆星輻射出的X射線的能量，比其發出的可見光的能量高1 000倍，這是天文學家們沒有想到的，因為根據對已知多種恆星的瞭解，這種情況是不應該出現的。有跡象表明，Sco X-1輻射出的X射線的能量，相當於太陽在所有波段上輻射出的能量的總和。
三、解密超新星爆發
撰文 漢斯•A•貝蒂(Hans A. Bethe) 傑拉爾德•布朗(Gerald Brown)
貝蒂是1967年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1985年5月《科學美國人》
超新星爆發是從恆星坍縮(即向心聚爆)開始的。那麼，它又是怎麼改變方向，將大部分的恆星質量向外拋射出去的呢？在某一階段，恆星物質的向內運動肯定會停止，然後反向運動，由向心聚爆轉變成向外爆發。
結合計算機模擬和理論分析，關於超新星爆發機制的整套理論開始慢慢浮出水面。看起來，反轉過程中的關鍵步驟是形成了向外傳播的衝擊波。
當恆星核心的密度達到原子量級時，坍縮會突然停止。這會在恆星核介質中引發朝著反方向傳播的聲波，就像錘頭砸到鐵砧上時錘柄產生的振動。當聲波從均勻的恆星核心傳播出來時，聲波的傳播速度會逐漸減慢。這由兩個原因造成，一是由於它的局部速度降低；二是它在迎著越來越快的坍縮物質「逆流而上」。到達音速點(傳播速度達到聲速時所在的區域)時，聲波完全停下來。同時，更多的物質還在不斷向著恆星核心的核物質硬球坍縮，激發更多的聲波。在幾分之一毫秒的時間里，聲波在音速點匯聚，不斷產生壓力。坍縮物質通過音速點時，這種壓力延緩了物質的坍落速度，造成了速度斷層。這種不連續的速度變化觸發了激波。
在恆星核心，向內坍縮的物質落到「硬球」的表面後急停，但不是瞬間完全停止。動量會讓坍縮超越平衡點，讓核心密度達到甚至超過原子核的密度，我們把這一時間點稱作「最大壓縮」時刻。在最大壓縮之後，核物質會反彈回去，就像一個被壓縮了的橡膠球。這種反彈會產生更多的聲波，匯入不斷增強的激波里。
激波有兩個特性與聲波不同。首先，聲波不會對媒介造成永久性的影響，聲波通過之後，物質就恢複到先前的狀態。而激波的通過會導緻密度、壓力和熵的巨大變化。其次，正如其名，聲波以聲速傳播。而激波的速度更快，速度值由波的能量決定。因此，一旦音速點上累積的壓力形成了激波，向內坍縮的物質就無法把激波限制在音速點了，它會不斷向外傳播，直達恆星外層的物質。計算機模擬的結果表明，激波的傳播速度很快，在30 000千米/秒～50 000千米/秒之間。
恆星外層發生爆炸後，恆星核的命運仍不甚明了。據推測，較輕恆星的爆發會留下一個穩定的中子星。根據威爾遜的計算，超過20個太陽質量的恆星將會留下一個超過兩個太陽質量的緻密殘骸。這種殘骸會成為一個黑洞，裡面物質的密度會被壓縮到無窮大。
諾貝爾物理獎12個裡程碑：解密超新星爆發(3)
四、宇宙中的生命
撰文 史蒂芬•溫伯格(Steven Weinberg)
1979年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1994年10月《科學美國人》
正如我們所知，物理學裡面有那麼幾個參量，如果其中任何一個的數值發生了哪怕一丁點兒改變，生命就不可能出現。這些參量中，最著名的是碳12原子的一個激發態的能量。在恆星內部生成重元素的一系列核反應中，有一個必要環節。在這個環節里，兩個氦原子核相結合，形成不穩定的鈹8原子。在發生裂變之前，鈹8原子有時會再吸收一個氦原子核，這就形成了處於上述激發態的碳12原子。接著，碳12原子核會輻射出一個光子，衰變到最低能態的穩定態。在接下來的核反應里，碳結合成氧和氮，以及生命必需的其他重元素。但是，鈹8原子捕捉氦原子的過程是一個共振過程，反應速率隨著參與反應的原子核的能量而變化，能量過高或過低都不利於反應進行──如果碳12原子的那個激發態的能量高那麼一點點的話，它的產生率就要低很多，從而導致鈹8原子核在碳形成之前，就可能裂變成了氦原子核。那樣，宇宙將幾乎全部由氫和氦構成，不會有生命元素存在。
自然常數需要精確到何等程度才能讓生命出現，科學家的意見並不統一。碳12的那個激發態的能量為何如此接近共振能量，也有另外的解釋。但是，有一個常數似乎確實需要超乎想像的精細調節：這就是真空能，或者說宇宙學常數，它同宇宙膨脹相關。
雖然我們無法計算真空能的大小，但我們能夠算出產生真空能的那些能量的大小(例如引力場里量子漲落的能量，量子漲落尺度大小不低於約10-33釐米)。根據我們對目前宇宙膨脹速度的觀測結果，真空能有一個上限，而產生真空能的那些能量的總和，要比真空能的上限值大120個數量級。如果對真空能有貢獻的那些能量沒有相互抵消的話，根據真空能總量的計算，那麼在生命出現之前，宇宙可能已經進行完了一次膨脹和收縮的循環，或者膨脹速度太快，以至於不可能形成星系或恆星。
因此，任何形式生命的存在，似乎都需要那些對真空能有貢獻的能量彼此相消，而且抵消程度要精確度到小數點後約120位。或許，這種相互抵消將來能得到某種理論的解釋，但到目前為止，在弦理論和量子場論中，真空能都含有任意常數，它們必須得到精細調整，以使總真空能足夠小，讓生命有可能存在。
其實，我們無需假設在基本自然法則或初始條件中，有某些生命或意識在扮演關鍵角色，上述問題就能得到解釋。或許，我們現在所稱的自然常數在宇宙的一個部分和另一個部分里並不相同(在這裏，「宇宙的不同部分」可以有多種理解，例如可以指宇宙膨脹的某個階段不同的擴張區域，在這些區域中，各種普遍存在的場取值不同；或指在某些量子天文學研究所提出的不同的量子力學「世界線」)。如果確實如此，那麼在宇宙的某些區域中可能發現生命(即便在大部分區域里都沒有)，也就不令人吃驚了。
任何進化到可以測量自然常數這個程度的生物，都會發現這些常數的值恰好允許生命存在。在宇宙其他區域，這些常數可能有其他的數值，但那裡沒有人去測量。不過，這並不是說生命在基本的自然法則中起著某些特殊作用，就像太陽有一顆能孕育有生命的行星，但並不代表生命在太陽系的形成過程中也會起作用一樣。
五、粒子與原子物理
光是什麼
撰文 歐內斯特•O•勞倫斯(Ernest O. Lawrence)， J•W•畢姆斯(J. W. Beams)
勞倫斯是1939年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1928年4月《科學美國人》
光是最人們熟知的物理存在。我們都瞭解它的許多特性，而對於物理學家來說，光顯示出的不可思議的性質還要多得多。雖然，我們對光學效應的瞭解已經很多，但光究竟是什麼，還沒有令人滿意的解答。
兩個多世紀前，牛頓認為光的本質是粒子，是由飛行於空氣中的小「飛鏢」組成。其他一些人將光歸於波動，就像波浪在水中傳播那樣，光波也在遍佈宇宙的一種介質中傳播，這種介質叫作「以太」。隨即，在關於光到底是什麼這個問題上，持不同觀點的科學家展開了一場激烈的爭論。當一些新實驗揭示出光的更多特性後，人們發現波動理論能解釋許多粒子假說無法解釋的現象。
隨著時間的推移，更多關於光與物質相互作用的現象被接連發現。在這些現象中，很多都無法用波動理論來解釋，這就迫使科學家將注意力轉向牛頓提出的「光的粒子假說」。近期的觀測結果表明，光束所包含的能量值是一個最小單位(一個光量子)的精確整數倍，正如物質看起來像是由物質粒子的精確整數倍組成，電量是電子的整數倍一樣。因此，光也是粒子化的，正如物質和電量是粒子化的一樣。
在現代光量子理論中，有一個看起來非常奇特的事實，即該理論的研究對象自身──光量子──恰恰是完全不清楚的。
量子自身的物理特性也是一個問題：它們的長度是一米，一千米還是一釐米？或者說，它們的尺度無限小？許多實驗似乎都說明，光量子的長度至少在一米左右，但根據過去的觀測，很難推導出確定的結論。光量子的空間尺度仍舊是個謎。
至少有一種途徑可以用來測量光量子的長度，只要該設想可以付諸實踐的話。從本質上來說，可以這樣做：假設你有一個遮光板，能夠以任意速度阻擋或放行光線。這樣的器件應該能將一束光切成一段一段，就像用刀切香腸一樣。顯然，如果切出的一段光線比光量子短，那麼經過遮光板的短暫閃光就只含有一個光量子的一部分。實際上，該裝置會將光量子掐頭或去尾。部分光量子的能量不足以將電子從金屬表面轟擊出來，需要整個光量子才行。所以，我們可以通過觀察在短到什麼程度，就不能產生光電效應，從而給出光量子的長度上限。
即使對機械知識不熟悉的人也能想到，任何一種機械遮光板都不可能以這種速度工作。然而令人高興的是，自然賜予物質的不僅僅有純機械的性質。利用某些液體的特殊光電性質，科學家構想了一種類似遮光板的設備，能在百億分之一秒內打開或關閉。通過這種設備，科學家製造出極為短暫的閃光，轟擊在靈敏的光電池上，結果發現電池對設備製造的最短閃光也能作出反應，長度只有幾英呎(1英呎約合0.3米)。
這個簡單的觀測實驗的重要性怎麼評價都不過分，因為它明確顯示了光量子要比數英呎短，或許光量子的空間尺度只有極微小的一點點。
來源 香港新浪科技
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