中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第2部分
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带电。
现在我们知道，当电子从原子移开时就产生静电。这时原子包含着少于正常定额的电子，所以带有净正电荷。在有些情况下，这些带正电的原子（离子）能够运动，很可能被吸引到带负电的区域，正负电荷随即相互抵消。现在已经弄明白，困扰库仑的电荷漏掉问题，是空气中的电离原子造成的。问题是那些离子是从哪里来的？
宇宙射线的发现
接近19世纪末，英国物理学家查尔斯·威尔逊（Charles Wilson）做了一个重要实验，但是在那个时代也把迷惑注入了静电学。他估算了金箔验电器中电荷泄露得有多快。这件仪器是用一根细黄铜杆和一片窄窄的薄金叶片构成的。金叶十分灵活，一端附着在铜杆上，因此叶片可以自由地贴近铜杆或离开铜杆。当验电器充电后，电荷就分布到整个金叶和支撑它的铜杆上，这是由于电荷相互排斥而尽量布满导体的缘故。这时又轻又薄布满电荷的金叶受到荷电铜杆的排斥，其下端就离开铜杆停在一定张角的位置。张角的大小就向威尔逊指出了验电器带电的多少。通过对验电器金叶缓缓落向铜杆的观察就能测算出电荷泄露的速率。
当黄铜支撑杆和金箔带电时，电荷传遍其各处。金箔上的电荷与铜杆上的电荷相互排斥，于是柔韧的金箔离开铜杆。金箔与铜杆间的张角大小表明所带电荷的多少。
为了尽量找出是什么原因造成了电荷泄露，威尔逊把他的仪器放进一个不大的密封容器，并充进滤去尘埃的空气。他发现这时电荷泄露的速率仍然依旧，泄露与空气来源无关。他还试过，充进从乡下取来的洁净空气和从他的实验室（混入城市污染和实验室带有放射性的污染）取来的空气。他判定泄露不可能归因于尘埃。未曾预料到的结果使他深感困惑。接着，威尔逊比较了黑暗中与日光下的泄露情况，还是没有区别。而且不论仪器充的是正电荷还是负电荷，放电速率都不变。
威尔逊不得不得出这样的结论：实际上离子是以某种方式在密封容器里的空气中直接形成的。生成速率能根据等量产生的正电荷和负电荷总量测量出来。到底什么导致离子的形成，根源似乎不在他的仪器也不在实验室。由于尚无更准确命名，暂且叫做〃自发〃电离。
威尔逊在剑桥大学学习时，汤姆逊（J。J。Thomson）讲授过，X射线（当时称做伦琴射线）的电离效应和阴极射线（后来确认为电子）的电离效应。他还熟悉从放射性物质发出来的辐射的作用。〃自发〃电离的特征很像辐射引起的。1901年，威尔逊急于想知道，这种电离是否能由来自地球大气以外的放射线引起。检验的办法就是，到更高的高度看是否效应增大和到地下看是否效应减小。他作了地下观察，但没有认识到地下放射性对放电所起的作用也和穿透大气的粒子或射线所起的作用一样。遗憾的是，他的仪器还不够灵敏，区分不出是哪种作用。他夜间在苏格兰铁路隧道中所进行的测量表明，那里的电离效应并没有测得出的减弱，这似乎消除了认为是宇宙来源的可能性。他得出的结论是，电离源必定是空气自身中的某种事物。
此种看法又过了十年还没被澄清。这期间威尔逊所使用的简单验电器有了改进型。新型的〃电离室〃比验电器更完善更精密，并成了辐射实验室的标准设备。居里（Curies）在他对放射性的开创性研究中就用过一台这样的仪器。用上电离室才最后帮助解决了电荷泄露问题。
决定性的实验是1912年8月7日完成的。其结果获得了诺贝尔奖。真令人惋惜，获奖者不是威尔逊。这次实验与威尔逊深入地下测量相反，而是包括升入大气去测量。进行这项实验的科学家是V·F·黑斯（Viktor F。Hess），他把电离室装进氢气球的吊舱里，携带着电离室升上高空，进行了一系列英勇的冒险飞行。宇宙射线实验从来都是在荒凉地区进行的，但很少有像黑斯那样的勇敢探险。实验中，他乘坐在庞大体积的高度易燃的氢气球下的小小吊蓝里，飞升到5000米以上的高空。每次电离室测量实验都要耗费1个小时，气球上升和下降的整个期间黑斯都作着紧张的测量。因为黑斯升上高空并不像现代登山者那样，能携带上救急用的氧气，所以每次飞行都是很危险的。在那样高的地方，他的判断能力也会由于空气非常稀薄而大受影响。
新仪器设备的采用往往会取得科学研究的重大突破。在气球观测中，使用的是一台大为改进的电离室。它是耶稣会教士沃尔夫（Th。Wulf）神父特别为气球实验而设计的。为了探求高出地面电离总量有什么改变，1909年，沃尔夫自己在艾菲尔铁塔顶上也进行了测量实验，但是测量实验并不成功。这种沃尔夫检测器既紧凑又结实，是专为对付气球急速升空时大气压的巨大变化而设计的。黑斯在他的气球测量实验中携带着三台这种辐射检测器。
黑斯受到奖赏是由于他的下述发现。气球开始上升时电离（辐射所导致的电离）减小不多。然而，高过约2000米的高度后，辐射水准先是缓慢增加，随后当接近5350米的最高高度时辐射就会显著急速增大。他的解释是，来自地球放射性的辐射一直影响到约2000米的高度，但在更高的高度上是另外的事物导致电离增大。黑斯猜测到，这另外的事物是〃从上方进入我们大气的高穿透力辐射〃。有一次他趁着正在日食，进行了气球飞升观测。发现电离效应在日食时既不减小，在夜晚也不减小，所以导致电离的辐射源不像是太阳。
到那时，对自然放射性已进行了广泛的研究，然而对于产生这种现象的核过程还不完全理解。正在蒙特利尔（Montreal）工作的卢瑟福勋爵（LordRutherford）建立起辐射分三大类的观念。一类是α粒子，现在知道它们是高速氦核；一类是β粒子，它们是电子或人为产生的阴极射线；另一类是γ射线，它们是与光线或X射线基本性质相同的高能〃光子〃，但是能量更大。这些辐射形式各有各的特性。α粒子飞驰的距离很短，β粒子贯穿能力强些，而γ射线是到目前穿透力最强的射线。黑斯立刻意识到，致电离成分中有γ射线，因为如果辐射来自空间的话，必需穿透好几公里地球大气。当时知道只有γ射线能有这样大的本领。我们将要知道，这一观点实际上并不正确。然而在当时，黑斯和其他任何人还搞不清楚原因。
在黑斯的冒险气球飞行实验之后，物理学家W·考尔赫斯特（Werner Kolhorster）又进行了更大胆的气球飞行实验。为了研究放射性，他继续发展沃尔夫电离室。1913年和1914年正当他二十几岁精力旺盛时，进行了一连串的气球升空试验。考尔赫斯特到达了9300米的高度，类似珠穆朗玛峰的高度，或者说是喷气客机巡航的高度。在这个高度上，测到的辐射致电离效应比地面上高出50倍。1930年，考尔赫斯特在波茨坦（Potsdam）创建了专门研究宇宙射线的第一个研究所。
黑斯和考尔赫斯特所取得的观测结果（高度升高则辐射水准增大）清清楚楚地表明，辐射的源泉在地球环境以外。直到那时，天文学依然对回答这个问题束手无策。
这种辐射穿过大气的方式还不清楚。只是注意到随着高度升高辐射增强，但是找出辐射强度如何变化却非常困难。初期的观念是，因在大气层中穿过的厚度越来越深，而使得宇宙γ射线强度只会逐渐减小，但后来证明这个看法是错误的。我们现已认识到，在很高的高度上的绝大部分粒子根本不是γ射线，显然出现那样的错误观点就难以避免。这表明出路依赖于几方面的突破。其中之一是必需对辐射穿过地球时其强度如何随高度、压强和其他参数发生变化进行研究。我们即将看到，能让研究者观测到个别辐射粒子的一项新仪器的开发，导致另一个科研领域的巨大进步。
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□ ＇澳＇罗杰·柯莱等/著 车宝印/译
第二章 理解宇宙射线的新技术
20世纪初，科学研究是很艰苦的。实验科学家不得不用手记录大量试验数据，或许还得从米制刻度盘或照相底片上读出数字记录。时至今日，这类数据搜集和分析工作，当然已改由电子仪器和计算机代劳。在宇宙射线的研究领域，这一革新是在同新的核物理科学携手并进中实现的。
在威尔逊、黑斯、考尔赫斯特和他们的同事们从事实验时，主要测量仪器是金箔验电器和改进后的沃尔夫电离室。就是利用这种简陋的仪器，他们证实了确定无疑的事实：认识到我们周围的空气持续不断地在低水准上被电离，从而说明了带电物体漏电的原因。
但是要想对这种效应进行更精确的定量测量，就需要采用新的工具。最重要的新工具之一，是由在曼彻斯特（Manchester）的卢瑟福实验室工作的德国物理学家汉斯·盖革（Hans Geiger）设计出来的。1918年，他研制出一台每当粒子穿过它时就咔哒作响的仪器。当今，在公众的心目中盖革计数器已成为辐射测量的同义语。当时，在推进辐射测量工作上做出很大成绩的威尔逊，正在从事改进另一种实验设备的工作。这台设备对粒子物理学的研究也具有极大的重要性。他研制的这台仪器能把单个电离粒子的轨迹真实地记录下来。这便是著名的云雾室，几年后又发展出气泡室。这样一些仪器设备，同电子计数技术一起，为后来的半个世纪完全革新了粒子物理学的研究手段。
20世纪20年代——巩固时期
20世纪20年代，随着空气电离即是问题的关键这一新基本概念的落实，人们对研究宇宙辐射的兴趣猛增。近来发现，来自核蜕变的辐射，也似乎来源于空间。整个欧洲都在研究这种新辐射，北美的兴趣也很强不久就承认了某些基本结果，但是理解得却不怎样快。广泛深入的气球观测表明，令人惊奇的是，存在着一个辐射能达到最大数值的高度，但这一高度并不是大气的顶部。假如辐射是从地球以外射进来的，这个事实就难以理解。人们预期，地球大气层会以递增的方式吸收辐射，而不会是先贡献而后再吸收。
有一段时间，设想大气高层必定含有放射性源，但后来清楚了，这种辐射与来自放射性的辐射并不相同，因为穿透力强得多。在很深的湖面和冰川下面这种辐射也能达到。在隧道中进行测量也表明，虽然强度大为减弱，但岩层下面相当深处还能找到它的踪迹。甚至来自地下天然放射性的贯穿能力最强的γ射线，也还是远远赶不上这种辐射的强大穿透能力。到了1925年，大多数科学家都已明白了，这一辐射现象的起源确实是在地球以外，于是有影响的美国物理学家密立根（R。A。Millikan）给它选定了一个这样的名字——宇宙射线。密立根由于作了测定电子电荷的油滴实验而非常著名，那时仍然认为宇宙射线是具有很高能量的γ射线，它是当时所知道的贯穿力最强的粒子。
这种观点很快就变得站不住脚了。γ射线同光线一样直线行进。假如宇宙射线就是γ射线，假如这种射线是我们银河系中产生的，天空就会出现宇宙射线强度很强的区域，就像有一个明亮的用可见光看到的银河一样。1926年在南美进行的测量表明，无论银河当空与否宇宙辐射的强度均无差别。
对宇宙射线电离强度在地球上空如何变化的仔细测量，推进了对宇宙射线进一步的了解。这种微小变化不是由于天空星象视角有什么不同，而是与地球磁场有关。磁场对γ射线不产生影响但对带电粒子却起作用。大约这时人们认识了极光（在靠近南北极的地方天空有时出现的美丽彩色光幕）是由于来自太阳的高能粒子穿入大气而形成的。地球磁场把这些带电粒子的进程改变成复杂的路径，最终轰击大气产生光辉。
南北极附近是地球磁力线向下弯曲进入地球的地方，极光主要出现在地球磁场附近的天空。带电粒子的路径很难跨越磁力线的方向，宇宙射线势必跟随其后。所以，赤道附近必须横穿许多水平磁力线之处，只有少数粒子抵达地球上。两极附近，磁力线几乎竖直上下，粒子容易沿着磁力线进入大气，于是导致大气分子发出光辉形成极光。如果粒子能量极高，则很少借助于磁力线，并且在离极地更远的地方就能看见极光。就这样，根据地球磁场的知识，加上对极光的观测，我们几乎能直接对来自太阳的极光粒子能量进行测算。同样认识到，根据宇宙射线强度随着离极地距离不同而产生的变化，应该得到有关宇宙射线粒子能量的信息。
但对纬度效应的测量并不容易。20世纪20年代所使用的电离室灵敏度已相当高，但是这项实验必需把电离室海运到很远的地方。要做到测量时仍然保持校准的精确度确实是一种挑战。荷兰科学家克莱（J。Clay）到东印度做过测量后，于20世纪20年代末首次报告了观测结果。20世纪30年代初继续进行了更复杂的测量。在海平面的高度上，从中纬度到赤道宇宙射线的强度下降了6％；更高的高度上这个效应更显著。宇宙射线中包含着来自地球磁场以外的带电粒子，这在当今已毫无疑义。但这一效应的特别巨大仍然使人们惊奇。宇宙射线强度随着离极地距离不同而变化，这一效应同全部辐射都采取带电粒子的形式符合一致，而不是仅仅对γ射线成分的微小补充。
对宇宙射线中带电粒子和γ射线的相对数的测定，能给出对该效应的进一步检验。因为我们知道地球磁场的极性（〃南〃极在北，〃北〃极在南），所以能预先指出射入的带电粒子如何偏转。自然还有赖于粒子带正电还是带负电。检验的办法是看从西边射来的宇宙射线多还是从东边射来的宇宙射线多（观测是在赤道附近进行的）。这一〃东西效应〃是分别由比利时的乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）（可能当今人们首先记得他在宇宙学上的贡献），�
