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2012-10-16 14:08 上傳
六、原子核的結構
撰文 瑪麗亞•G•邁耶(Maria G. Mayer)
1963年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1951年3月《科學美國人》
將原子作為一個整體，並以我們的行星系統為參考──近代物理學家提出了一個描述原子的模型：原子由一個位於中心的、相當於太陽的原子核，以及在特定軌道上圍繞原子核運行的衛星電子構成，就像行星一樣。雖然還有很多問題有待解決，但該模型已能解釋許多我們觀測到的電子行為。然而，人們對原子核本身卻知之甚少。甚至對於原子核中的粒子是如何結合在一起的這個問題，都還沒有一個令人滿意的答案。
最近，一些物理學家(包括作者本人)，提出了一個非常簡單的原子核模型，將原子核描繪成殼層結構──就像整個原子的結構那樣，核里的質子和中子以特定的軌道(或稱為殼層)聚集，正如原子裡面，電子束縛在原子核周圍一樣。對於原子核的構成及其核內粒子的行為，我們所知的很多現象都能用這個簡單的模型來解釋。
質子和中子的一些特定組合，在性質上具有非常明顯的模式，而我們有可能弄清這些模式。正是因為這些模式，我們才提出了原子核的殼層模型。一個驚人的巧合是，原子核內的粒子也像電子一樣，偏好某些特定的「神秘幻數」。
每一種原子核(除了氫原子，它就是一個單獨的質子)都能用兩個數字來描述：質子數和中子數。這兩者之和就是該原子核的原子量。質子數決定原子的性質，所以擁有兩個質子的原子核必定是氦，擁有三個質子的是鋰，以此類推。然而，一定數量的質子可以與不同數量的中子結合，形成同一種元素的多種同位素。這裏，有一個非常有意思的事實，即質子和中子喜歡以偶數的方式結合；換句話說，和電子一樣，質子和中子都顯示出強烈的配對趨勢。已知所有元素的全部約1 000種同位素里，只有不超過6種穩定原子核是由奇數個質子和奇數個中子構成的。
除此之外，以特定偶數聚集的質子或中子尤其穩定。「神秘幻數」之一是2。由兩個質子和兩個中子構成的氦原子核是已知最穩定的原子核之一。另一個「神秘幻數」是8，代表著氧原子核，它的一個常見同位素具有8個質子和8個中子，十分穩定。還有一個「神秘幻數」是20，對應著鈣。
「神秘幻數」包括：2、8、20、28、50、82以及126。具有這些數目的質子或中子的原子核都具有非同尋常的穩定性。這強烈暗示著，「神秘幻數」代表著原子核里的殼層都是滿的，就像原子外層的電子殼層結構一樣。
這個殼層模型還可以解釋原子的其他特徵行為，比如「同質異能」(isomerism)現象，即原子核長期處於激發態。或許，該模型最重要的應用是對β衰變(即原子核輻射出電子)的研究。原子核會不斷釋放出電子，導致原子核內粒子的自旋發生變化。目前，還沒有一個理論能很好地描述β衰變，因為自然界只有少量的放射性原子核，因此想檢驗這些理論正確與否並不容易。殼層模型能夠幫助解決這個問題，因為它能在不做測量的情況下預測自旋。當然，這個簡單模型無法給出關於原子核結構的完整而準確的描述。即便如此，該模型還是成功地描述了原子核的眾多性質，說明它是描述真實世界的一個不錯的理論。
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七、反質子現身
撰文 埃米利奧•塞格雷(Emilio Segrｅ) 克萊德•E•威甘德(Clyde E. Wiegand)
賽格雷是1959年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1956年6月《科學美國人》
25年以前，基於相對論和量子力學中最基本的原理，英國劍橋大學的狄拉克(P.A.M. Dirac)提出了一個方程，以量化的方式描述了電子的許多性質。只須代入電荷、質量以及自旋值，就能準確推導出電子的磁矩以及它在氫原子裡的行為。然而，狄拉克發現，這個方程不僅需要帶負電的電子，還需要帶正電的電子(正電子)存在。換句話說，它不僅描述了已知的帶負電的電子，而且還引入了一種完全對稱的粒子，它與普通電子完全一樣，只是電荷為正而非負。
在狄拉克作出預言數年之後，在宇宙射線通過雲室產生的粒子之中，美國加州理工學院的卡爾•D•安德森(Carl D. Anderson)發現了正電子。這一發現促使物理學家投入到一段全新而艱難的旅程，開始尋找另一種假想粒子。最終，他們的努力在幾個月之前得到了回報。
經過微小的修改，狄拉克的基本方程應該還適用於質子。在這種情況下，方程同樣預言了質子的反粒子──反質子的存在。它與質子一模一樣，只是帶電為負而非正。
這時，一個問題浮現出來，需要多高的能量才能在實驗室里用加速器製造出反質子？因為反質子只能與質子成對地製造出來，所以我們至少需要相當於兩個質子質量的能量(即約20億電子伏)。但真正準備實驗的話，我們需要比20億電子伏高得多的能量。要想將能量轉化為粒子，我們必須使能量聚集到一點；通過讓高能粒子撞向靶子是實現這一目標的最好途徑，例如讓兩個質子對撞。撞擊之後，我們應該有4個粒子：兩個先前的質子，外加一對新製造的「質子─反質子對」。碰撞出的這4個粒子中，每一個都具有約十億電子伏的動能。所以，產生一個反質子需要20億電子伏(生成「質子─反質子對」)加上40億電子伏(四個產物粒子的動能)的能量。美國加利福尼亞大學的高能質子同步穩相加速器就是根據這些數值設計建造的。
當高能質子同步穩相加速器用60億電子伏的質子轟擊銅靶之後，接下來的任務就是探測並識別生成的任何反質子。一種搜尋方案是由本文作者、歐文•張伯倫(Owen Chamberlain)和托馬斯•伊普西蘭蒂思(Thomas Ypsilantis)提出的，他們利用了3個便於確定的特性。首先，粒子的穩定性意味著它的壽命應該足夠長，能夠穿過長長的儀器；其次，粒子經過外加磁場時，它們的偏轉方向可以反映粒子的帶電性，因此通過這一點，就可以判斷出反質子的負電性。最後，在磁場強度和粒子速度已知的情況下，反質子的質量可通過它的運行軌道的彎曲度計算出來。
到去年10月宣佈反質子的發現時，上面的三位科學家已經記錄了60件事例，平均產生率大約相當於每運行高能質子同步穩相加速器一小時，就能發現4個反質子。這些反質子都已通過了我們在實驗前預先設定的所有測試。一位剛剛完成了一項重要且困難的介子實驗、擁有很高聲望的同行對這項發現的評價讓我們十分開心。他在檢查了我們的實驗之後說：「我希望自己的µ介子實驗也能夠像這個實驗一樣令人信服。」至此，那些一直打賭反質子存在的人開始得到回報了，我們知道的最大賭注是500美元(我們自己倒沒有參與)。
八、希格斯玻色子存在嗎？
撰文 馬蒂納斯•J•G•韋特曼(Martinus J. G. Veltman)
1999年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1986年11月《科學美國人》
希格斯玻色子是以英國愛丁堡大學的彼得•W•希格斯(Peter W. Higgs)的名字命名，這種粒子是標準模型中最重要的缺失部分。標準模型是描述物質基本構成，以及各成分間基本相互作用力的主流理論。根據標準模型，所有物質都是由夸克和輕子構成，它們彼此之間通過4種力相互作用：引力、電磁力、弱力和強力。舉例來說，強力將夸克束縛在一起形成質子和中子，構成原子核；電磁力將原子核和電子(輕子的一種)「綁」在一起，形成原子，賸餘的電磁力再將原子組合成分子；弱力在某些原子核衰變中起作用。弱力和強力僅在很短的、不超過原子核半徑的範圍內起作用；引力和電磁力的作用範圍無窮大，所以它們最為人們所熟知。
儘管對標準模型知根知底，我們仍有理由任務它還不完備，這時就輪到希格斯玻色子出場了。具體來說，標準模型需要希格斯玻色子賦予自己在數學上的完整性，使它的適用能量範圍雖然超越了現有粒子加速器的能力，但很快可由未來加速器實現。除此之外，希格斯玻色子被認為是所有基本粒子的質量之源──從某種意義上說，粒子通過「吞食」希格斯玻色子來獲得質量。
希格斯玻色子的一大缺陷是，科學家到目前為止還未發現過它存在的証據(歐洲核子中心於2012年7月4日宣佈，他們發現了一種符合希格斯粒子屬性的粒子，並且有極高的可信度)。相反，有很多間接証據已經暗示，這種神秘粒子其實並不存在。的確，近代理論物理學在不斷向真空中添加希格斯玻色子之類的、五花八門的新玩意兒，讓人們覺得在晴朗的夜空中還能看到星星是多麼不可思議！雖然，未來的加速器或許能找到希格斯玻色子存在的証據，並且証明假設存在的原因是正確的，但我仍堅信事情並不是那麼簡單。我必須指出，這不意味著整個標準模型都是錯誤的。相反，標準模型很可能只是對真實世界的一個近似反映──儘管已經很接近真實世界。
通過在高能物理實驗室進行的散射實驗，人們可以研究基本粒子間的相互作用。例如，一束電子能被質子散射。通過分析入射粒子的散射模式，就能獲得關於相互作用力的信息。
電弱理論成功預言了電子與質子相互作用的散射模式，也同樣成功預言了電子同光子、W玻色子(傳遞弱場的粒子)和中微子的相互作用。然而，該理論在試圖預言W玻色子彼此之間的相互作用時遇到了困難。特別是從該理論出發可以得出，在足夠高的能量下，一個W玻色子被另一個W玻色子散射的幾率大於1。這樣的結果顯然有悖常理，相當於說即使一個人向靶子的相反方向扔飛鏢，仍能正中靶心一樣。
就在這時，「救星」希格斯玻色子出現了。希格斯玻色子同W玻色子以某種方式耦合，能讓散射幾率回落到允許的範圍：0到1之間的一個固定值。換句話說，將希格斯玻色子引入電弱理論後，「消除」了不合理的結論。
瞭解了希格斯玻色子是讓電弱理論重新變得正常的關鍵之後，就很容易理解應該如何搜尋這種難以捉摸的粒子了：W玻色子必須要以極高的能量(等於或大於一萬億電子伏)相互散射。這一能量能在規劃中的「超導超級對撞機」上達到，它可以實現20TeV能量的對撞。美國正在考慮建造它。如果粒子的散射模式與重整後的電弱理論相符，那麼必定存在一個抵消力，而希格斯玻色子就是一個最明顯的候選者。如果模式與預言不符，那麼W玻色子之間就很可能是強力相互作用，這將開闢一個全新的研究領域。
九、技術應用
光學激光器引領信息革命
撰文 亞瑟•L•肖洛(Arthur L. Schawlow)
1981年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1961年6月《科學美國人》
至少半個世紀以來，通信工程師都夢想擁有一種設備，能像產生無線電波那樣高效、精確地產生光波。一個普通白熾燈泡輻射出的電磁波的純度，同無線電波發生器產生的電磁波相比，簡直有天壤之別。電磁振盪器產生的無線電波的波長，限制在很窄的電磁波波段，「噪音」很低，可以用作信號載波。相反，所有傳統光源基本上就是「噪音」源，除非以最粗略、原始的方式用作信號，這類光源幾乎不適合做任何事。然而就在去年，隨著光學激光器的出現，精確控制光波的產生成為可能。
雖然光學激光器只是剛剛出現，但它們已經產生了極高強度且高度定向的光束。與來自其他光源的光束相比，這種光束的單色性要好得多。
光學激光器是全新的光源，需要一些想像力才能預測它的潛在應用。當然，信息傳遞是最顯而易見的應用，這個方向的應用獲得的關注也最多。雖然自古代以來，人類都在使用光線來傳遞信號，但由於自然光源的強度很弱，「噪音」很大，使它的應用受到了限制。我們可以把普通光束看做一種純淨的、均勻的載波，只是光源里的那些一個個原子會隨機發出光脈衝，變成「噪音」。但光學激光器能夠提供幾乎理想的均勻波，除了人工加入的信號外，沒有任何噪音。
如果能找到合適的調製方法，相幹光波(頻率、振動方向和相位差都相同的兩列波)應該能夠攜帶海量信息。因為光的頻率很高，即使在可見光範圍內一個很窄的波段里，一秒鐘也會包含數量巨大的振盪週期。光波能傳遞的信息量與每秒的週期數成 正比，因此也同波段寬度成比例。在傳播電視信號時，載波帶有的信號具有400萬個週期的有效頻寬。一個光學微波激射束完全能夠攜帶一個頻率(或者說頻寬)為1000億個週期的信號。當然，前提是能找到生成這種信號的途徑。具有這一頻率的信號能夠攜帶的信息量，相當於現在所有無線電通信頻道的總和。必須承認，沒有光束能夠很好的穿透霧、雨或雪，因此想要在實際的通信系統中應用，光束必須被封閉在管道里。
諾貝爾物理獎12個裡程碑：解密超新星爆發(5)
來源 香港新浪科技
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