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物理世界奇遇记15:参观原子粉碎机(下)

2006-8-10 9:16

  “天啊,华生,没有时间休息了。快起来帮我一把。”

  一个外表穿着很像歇洛克·福尔摩斯的人站在他面前。汤普金斯先生正想说明他的名字并不是华生,可他的注意力却被那个探测器弄乱了:探测器正在朝四面八方喷出许多粒子!这些粒子全都在地板上滚来滚去。

  “快,把它们给我拣过来!你能拿多少就拿多少。”

  汤普金斯先生四周环顾了一下,想找到汉森博士和参观团的其他人,但是哪里也看不见他们。他下结论说,他们必定是丢下他到遥控室去了。真是怪事啊!不过,再过一阵子,他们想必会回来找他的。这时他想,他还是迁就一下眼前这个穿着可笑的狂人为妙。

  他捡起一大把粒子,把它们交给自称福尔摩斯的那个人,后者正在默默地俯视着在地板上摆开的几个整齐的粒子阵列。汤普金斯先生认出它们是熟悉的SU(3)表象的六角形。

  “得,自旋等于1/2的有那么多。现在该是自旋等于3/2、B=1的粒子了。”福尔摩斯伸出一只手说。

  “对不起,请再说一遍……”

  “自旋等于3/2和B=1的粒子。快过来,亲爱的朋友,我已经做了些别的了。”

  汤普金斯先生完全给弄糊涂了。“我怎么知道……”

  “看看这些标签。”那个大侦探厌倦他说。

  一直到这个时候,汤普金斯先生才注意到,每个粒子上都贴有一个小小的标签,标签上列出该粒子的各种性质。他在粒子当中挑选了一下,把那些标明具有自旋等于3/2和B=1的粒子交给福尔摩斯,后者随即弯下腰把它们在地板上摆开。在重新进行了某些调整以后,他拉过一把椅子,坐下来研究它们。

它看起来像个三角形

  “好了,华生,”他喃喃他说,“你是怎样看待它的?让我听听你调整这种局面的意见。”

  “它看起来像个三角形。”汤普金斯先生注视着面前的图形,鼓起勇气回答道。

  “你是这样看的,是吗?作为一个有自然科学头脑的人,你在识别某种不完整的事物时就作出这样的结论?”

  “对了,它底边的一个顶点不见了。”

  “完全正确!正像你机敏地观察到的,这个三角形并不完整。它少了一个粒子。我有可能得到最后那一点吗?”

  福尔摩斯仍然俯视着那个图形,又一次伸出他的手向汤普金斯先生要东西。

  汤普金斯先生再次在粒子当中翻来翻去,却得不到什么结果。

  “对不起,福尔摩斯。我大概是找不到它了。”

  “哼!但是我依旧相信,在我们这个方向上可能有另一个粒子。根据我们暂定的假说,你认为那个失踪的粒子会有些什么性质呢?”汤普金斯先生想了片刻,“它应该具有自旋等于3/2和B=1。”

  “亲爱的华生,你真的有长进了。”福尔摩斯挖苦地叹了一口气,“当然,它必定具有这些性质,要不,它就不属于这个家族了。谢谢了!关于这个粒子,你还能告诉我一些什么呢?我的方法你是知道的,就用用它们吧。”

  汤普金斯先生不知道该怎么想。过了一会儿,他承认说:“恐怕我并没有什么线索。”

  “哎哟哟!”福尔摩斯暴跳起来了,“对于一个受过科学训练的人来说,这是完全显而易见的:那个失踪的粒子带负电,它没有带正电或电中性的反粒子——它是个非常特别的粒子;它的S=-3(顺便说说,这是从来没有见过的奇异性数值),而质量大约等于1680 MeV/c2。”

  “老天爷啊,福尔摩斯,你把我吓坏了!”汤普金斯先生喊道。从他感到吃惊那一刻以来,现在他已经不知不觉地完全进入华生的角色了。

  “由于它是完成这个图形的最后一个粒子,我应该管它叫Ω-粒子。”福尔摩斯作出了结论。

  “但是我不明白,你怎么会知道这一切呢?”

  那个大人物笑了:“我很乐意动用我所有的一点小小的能量来补偿你的损失。首先我问你,在那个图形中有多少个空隙?”

  “一个。”

  “十分正确。所以,我们要处理的只有一个失踪的粒子。其次,你认为它的奇异数有多大?”

  “好的。图形中那个空隙的水准是S=-3。”

  “对极了。那么它的电荷呢?”

  “不知道。在这个问题上,我怕是无能为力了。”

  “利用一下你的观察力吧,朋友!你注意到每一行最左边的粒子带有什么电荷吗?”

  “它们全都带负电。”

  “这就得啦。我们的Ω粒子就处在它那一行的最左边,所以它必定同样带负电。”

  “但是,”汤普金斯先生不同意这种说法,“那一行只有一个粒子,所以,那个Ω粒子也同样是处在那一行的最右边啊。”

  “那又有什么?你张开眼睛扫一扫每一行最右边的成员吧。你注意到什么了吗?”

  汤普金斯先生对它们研究了片刻,然后宣布说:“啊,我明白你的意思啦。每往下一行,就少一单元的电荷,也就是Q=+2,+1,0,所以最后一行必定是Q=-1,这正是我们先前得出的结论。不过,后来你又说到Ω粒子的质量。你怎么能够大致确定它的质量有多大呢?”

  “你检查一下别的粒子的质量吧。”

  “好的,可是怎样检查呢?”汤普金斯先生非常狼狈地问道。

  “通过心算嘛!在相邻两行之间,粒子的质量相差有多大?”

  “欧,我算出在Δ和Σ之间,质量差是152 MeV/c2,在Σ和Ξ之间是149 MeV/c2。这两个质量差几乎是相同的。”

  “根据这一点,我猜测在Ξ粒子和我们假定的Ω粒子之间,大概也有同样的质量差。好啦,我们该收网了。也许应该劳你驾记住这些性质,再去找找这种粒子啦。”

  说到这里,福尔摩斯向后靠在椅背上,十个手指合拢在一起,然后闭上他的眼睛。

  尽管汤普金斯先生被福尔摩斯这种恩赐般的态度所激怒,他却还是好奇地想知道在前面那些推论中,到底有没有一点是真实可信的。因此,他便顺从地走出去,想到探测器周围对各种散布在地上的粒子彻底搜索一遍。

  但是,他还没有走到那里,就不知道从哪里出现了一群喧闹的电子。汤普金斯先生发现自己完全被它们包围了,并卷入到它们当中去。

  “全体上车!”传来了一声命令。于是,所有电子便蜂拥地朝加速器奔去,推着汤普金斯先生跟它们一起走。它们进入管道,把管道塞得满满的,比交通高峰时间赶火车还要糟糕,每个人都怒气冲冲地用肘部去推别人,想给自己多占些地方。

  “对不起。这是发生什么事啦?”汤普金斯先生向他身旁的电子问道。

  “发生什么事啦?你是新来的还是怎么着?”

  “事实上……”

  “那就欢迎你加入我们这个神风队!”那个电子斜眼看着他,威吓他说。

  “神风队?对不起,我不……”

  但是,已经没有时间去解释了。他们的背后受到猛烈的推动,便都上了路,朝着管道的下方跑去,汤普金斯先生刚刚想到他一定会被挤进弯曲的管壁里而被挤死,却马上开始意识到有个稳定的侧向推力在迫使他离开管壁。

  “啊!”他想,“这必定是偏转磁铁在起作用了。”他的背后又受到另一次推动,“而这必定是我们刚刚经过另一个加速腔。”

  当他们在多次定期冲击之间继续行进时,他注意到这群电子力图设法彼此分散开来,“我认为这是由于我们全都带有负电,从而要互相排斥的缘故。”

  但是,这时他们又一次突然被迫挤在一起。他猜想这肯定是由于他们正在经过一块聚焦磁铁而引起的。

  突然,汤普金斯吃了一惊:从对面的幽暗处有一大群粒子正在飞也似的朝着他们冲过来。他们好不容易才没有被撞上。

  “救命啊!”汤普金斯先生喊了起来。他转向他的同伴说,“你看见了吗?我是说,这是太危险了,他们是谁?”

  “你新来的,对吗?”带来的是个嘲笑的回答,“它们是正电子嘛!还能是谁?”

  这类事件一次次重复发生:没完没了的一系列加速冲击,其间点缀着一些聚焦插曲,在整个时间内,偏转磁场一直在变得越来越强,而粒子们的能量也变得越来越大。当然,那群正电子就像在做巡回演出一样,定期从对面飞将过来。

  事实上,情况开始变得非常险恶。现在,正电子们每次从旁边经过,都会大声喊出一些坏话:“你们等着吧,我们这就要你们的命!”他们辱骂道。

  “说真的,这是在说你们自己呢!除了你们还能有谁呢?”汤普金斯先生这边的电子也回敬了他们。不管是电子还是正电子,看来都由于期待的意识和兴奋的强度不断增加而变得十分急躁。

  不过,汤普金斯先生已经不再担心了。随着加速器一圈又一圈地转,他觉得越来越头晕、恶心。突然,他的注意力被同伴传来的喃喃警告声抓住了:“喂,打起精神来,要使尽全力!要出事了,祝你好运!你是需要运气帮忙的。”

  汤普金斯先生正想问它是什么意思,但是已经没有这个必要了,正电子们就在他们对面,而且这一次是彼此直接头对着头奔驰。汤普金斯先生看到四周都有电子和正电子在猛烈碰撞,每次碰撞都产生一些新粒子,这些新粒子朝着四面八方分散开来。有些在碰撞中产生的新粒子刚刚出现,就马上分裂成其他粒子。最后,所有碎片全都穿过加速器的管壁而消失不见。

  一片寂静。事情结束了。正电子们已经走开,剩下的全都是电子。汤普金斯先生环顾了四周以后,发现尽管发生了那么激烈的暴力事件,大多数电子就像他自己一样,全都安然元恙。

  “唷,实在太走运啦!”他放心地叹了一口气,“我很高兴事情已经过去了。”

  他的同伴轻蔑地瞪了他一眼。“你真叫人惊奇啊!”那个电子评论说,“你确实是什么都不懂,你就是这种人。”

  这时,正电子们回来了!整个可怕的场景反复出现:第二次,然后是第三次,第四次……一段段平静的时期穿插着暴力事件。汤普金斯先生逐渐认识到,这些碰撞总是发生在管道圆环的几个固定地点上。“这必定是安放探测器的地方。”他这样猜想。

  就在两群粒子再一次相遇的时候,汤普金斯先生最害怕的事情发生了——直接撞击!他没有得到任何警告就被撞飞了出去。他干净利落地穿过加速器的管壁飞到外面,在那里,正像他先前揣摩到的,探测器正在等着他呢。他只是模模糊糊地意识到后来发生的事:强烈地朝一侧偏转,一阵阵火花,一次次闪光,还有他在闯过许多金属板时的一连串撞击,最后,他终于在一块金属板里停了下来。他无法回想起他是怎样设法离开那块金属板的,他的头脑实在过于迷乱,只剩下一片茫然了。不过,他毕竟是离开了,并且发现他自己又一次来到实验大厅,处在一大堆同样从探测器漏出的其他粒子当中。

  他躺在那里,开始动动手脚,试图让头脑清醒过来,这时有个忸怩的声音问道:“你是在找我吗?”

  最初,他并没有认识到这个问题是向他提出的,但是,当这个诱人的提问又重复了一次时,他便努力挣扎着坐了起来。

  “对不起,”他瞧瞧四周,鼓起勇气说道,“请再说一遍。”他发现正在同他说话的是那堆粒子中的一个———个相当罕见的、外表着实异乎寻常的粒子。

  “我想,我并没有找你。”他咕哝说。

  “你能肯定吗?”她固执地问。

  “十分肯定。”

  谈话尴尬地中断了片刻。

  “太遗憾了。我可以离开大伙——就一个人,至少你也可以看看我的标签嘛!”她生气地补了一句。

  汤普金斯先生叹了口气,但还是顺从地照她的话做了。他读出“自旋等于3/2,B=1,负电荷,S=-3,质量是1672MeV/c2……”

  “怎么样?”她期待他说。

  “什么怎么样?”他回答说,不晓得她要的是什么东西。不过,后来他心中突然一动:“老天爷啊,你是……你是Ω-粒子嘛!你就是我被派出来寻找的那个粒子!我完全忘了。天啊,我找到了那个失踪的Ω-粒子了!”

  他非常兴奋地把她拾起来,急急忙忙地跑回福尔摩斯那里,让他看自己的战利品。

  “太棒了!”福尔摩斯大声喊道,“同我猜想的完全一样。把它放到它所属的家族那里去吧!”

  汤普金斯先生把它放在地板上,完成了那个三角形的十重态。福尔摩斯则掏出他那有名的黑色陶制烟斗,心安理得地靠在椅背上吞云吐雾。

  “这是基本的,亲爱的华生。”他宣布说,“是基本的。”

  汤普金斯先生对摆在他们面前的图形——六角形的八重态和三角形的十重态——注视了片刻,不过,这时,他开始发觉从福尔摩斯那烈性烟丝散出的气味是那么辣得呛人,他越来越被烟雾所包围。这是最不愉快的事,所以他决定还是离开此地为妙。

  漫无目标地走了一会儿,他决定绕着探测器闲逛一圈。走到尽头时,他又惊奇又高兴地看到一个俯身在工作台上干活的熟悉身影。这是那个木雕匠!

  “你在这里做什么?”他问道。

  木雕匠抬起头来,认出他的拜访者后,他脸上露出了笑容:“这不是你吗!能够再一次见到你,真是太好了。”

  他们握起手来。

  “还在忙着干你的上色活,我看到了。”汤普金斯先生说。

  “是的。不过从上一次你来看我以后,我就搬到这里来了。”他说,“新任务。不再给质子和中子上色了。这些日子要上色的是夸克。”

  “夸克!”汤普金斯先生喊道。

  “对极了,它们是原子核物质的最基本的组成部分。中子和质子就是由它们组成的。”

  他看着他的朋友,示意要他走近一点。“我刚才无意中听到你同上面那个大声嚷嚷的家伙的谈话,”他像在说心腹话那样咕哝说。“这是基本的,亲爱的华生,是基本的。”他挖苦地重复了福尔摩斯的话,“去他的吧,他根本就不知道他在说什么。基本的,简直是胡说!他的那些粒子完全不是什么基本粒子。把我的话传给他:夸克才算得上最基本的东西。”

  “那么,你现在究竟是在于什么活呢?”汤普金斯先生问道。

  “在给夸克涂上颜色啊,”木雕匠回答说,“由于新粒子是从加速器跑出来的,我得给它们的夸克上色。”他一只手拿起一把很精巧的尖头刷子,另一只手拿着一把镊子,继续说下去:“这是很琐碎的活。夸克实在是大小大小了。瞧,这里是个介子,再看看里面的夸克:一个夸克,还有一个反夸克。我得像这样来处理夸克。”他一边说,一边把镊子伸进介子内部,把那个夸克夹住,“你永远无法把夸克拉出来,它们胶合在一起,粘得太牢了。不过没关系,就是它们还呆在里面,我也能够非常好地把它们涂上颜色。我把夸克涂上红色,就像这一个。然后,再用另一把刷子,把反夸克涂成绿色。”

  “这是你过去给质子和电子所上的颜色嘛。”汤普金斯先生还记得。

  “是的。正如你所看到的,这两种颜色的组合使整个介子变成白色。但是,我也可以利用其他补色的组合做到这一点:蓝色同黄色,青色同品红色(或紫色)。”他指着工作台上另一些颜料瓶说。

  “而重子(像这边这个质子)是由三个夸克组合成的。所以对于重子来说,我要把每一个夸克涂成不同的原色:红,蓝和绿。这是产生白色的另一种办法。要嘛你采用一种颜色和它的补色,要嘛就把所有三种原色混合起来。”

  这时汤普金斯先生的思想突然走了题,想起不久前同神父的会面。他想象泡利神父一定会接纳介子——两个对立面的联姻,但却不敢肯定他对于三个相同粒子的组合会怎样看待。

  木雕匠一本正经地往下说:“我想让你知道,这是一项极其重要的工作。宇宙的构造本身就取决于我在这里所做的事。给质子和电子上色,只不过是为了使它们看起来漂亮一些——在一般物理书的插图中更容易区别一些。但是,前面说到的那些却是非常重要的色。我是说,物理学家们本身就是这样称呼它们的。它们说明了为什么夸克总是互相束缚在一起——为什么它们永远不能分离。一个粒子要想能够独立,它就必须是白色的,就像我刚刚完成上色工作的质子和中子那样。这些质子和中子都放在上面的匣子里,马上就准备交货了。不过,单个的夸克却是有色的,所以它们必须永远同带有适当颜色的其他夸克粘在一块。我相信,我已经把这一切都对你讲清楚了。”

  汤普金斯先生觉得他先前从那本小册子读到的某些内容,现在好像有了着落。但是,究竟为什么粒子应该是白色的,这对他仍旧是个谜。他走到放着中子的那个匣子跟前,把盖子打开。他被核子耀眼的白色给震住了。事实上,他被白光弄得眼花绦乱,不得不用手遮住眼睛……

  “我相信,他终于走回来了。”这是慕德的声音,“拿灯来,对不起,你把他照瞎了。亲爱的,亲爱的,你还好吗?太叫人宽慰了。我们都担心得要死。你怎么撞成这样了!现在你觉得怎么样?”

  “就是那个正电子,”汤普金斯先生喃喃他说,“那个正电子击中了我。”

  “有个正电子击中了他?”有个声音问道,“他是这样说的吗?”

  “脑震荡,”另一个声音宣布说,“他患了脑震荡。真是一塌糊涂!我们得把他送去医疗站。现在他需要先休息一会儿,我们把他前额的伤口包扎一下吧!”

《物理世界奇遇记》乔治·伽莫夫

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