单位文秘网 2021-08-20 09:14:58 点击: 次
毛主席、周总理历来都非常重视高能物理的研究。以英明领袖华主席为首的党中央又把高能物理定为我国实现科学技术现代化中形响全局的、带头学科之一一。方毅同志在全国科学大会的讲话中提出,我们要在十年内迫立一个现代化的高能物理实验基地。那么,高能物理到底是怎么一回事呢?下百分三个问题介绍一下。
一、什么是高能物理
宇宙有多大?我们可以明确地回答:宇宙无限大。我们的地球是够大的了,可是它只是太阳系里一颗不大的行星;太阳系够大的了,可太阳系仅仅是银河系的一小下分。银河系包含一千亿颗以上象太阳一样的恒星,它呈旋涡状,中间星星密集的卫分,直径约为十万光年(光走一年的距离叫一光年,一光年等于94605亿公里)。银河系这么大,宇宙是否就是银河系这么大呢?不是!银河系外还有无数个象银河系这样的星系,称河外星系。现代射电望远铁观测的范围已延伸到一百亿光年。在这个范围内,估计有一千亿个以上的河外星系。可以肯定,随着天文观测技术的发展,观测的范围还会不断扩大。宇宙往大的方百延伸是无限的……
那么,宇宙往小的方百看又是怎样呢?现代自然科学研究表明,宇宙从小的方百看也是无限的。物质是无限可分的。
近代科学实验证明:世间万物都是由辰子构成的。原子是物质微观结构的第一个层次。那么原子能不能再分小呢?近代自然科学的实验证明,原子不是物质微观组成的最小单元。原子是有结构、有大小的,它的直径约为一亿分之一厘米(10~*厘米)。它由原子核和电子组成。我们可以称原子核为物质微观结构的第二层次。那么原子核有无内下结构呢?今天我们已经知边,原子核也是有大小、有结构的。原子核的半径差不多是屍子半径的万分之一。但却集中了尻子的几乎全卫重男。原子核是由质子、中子组成的。质子带正电,中子不带电,中子重舅与质子的重舅几乎相同。不同的原子核只是包含的质子与中子的个数不同。在变革屍子核的实验中陆续发现了许多新的粒子,如介子、超子等。在很长一段时期内,人们认为质子、中子、介子、超子、电子、光子等等粒子是物质的始尻,不能再分了,所以起名为“基本”粒子。“基本”之忌即不可分。所以我们可以说,质子、中子、介子、超子、电子、光子等等“基本”粒子是物质微观结构的第三层次。到目前为止,已经发现的“基本”粒子已达三百多种。这些粒子的性质千变万化,但是大体上可以分为三大类:第一类称为光子,有传递电磁作用;第二类称为轻子,包括电子,μ介子及其中微子,还有新发现的重轻子——T轻子,這些粒子贝有电磁作用和弱相互作用;第三类称为强子,包括质子、中子、π介子等和一九七四年以来发现的新强子。这一类粒子数目最多,它们既有强相互作用,又有电磁相互作用和弱相互作用。(强相互作用,是目前知边的最强大的作用力。质子和中子结合成原子核的核力,就是强作用力。尻子能,热核能都和强作用力有关。)
以上这几百种“基本”粒子是否真的不可分了呢?近十几年的实验研究发现,“基本”粒子仍然是可分的。如强子就是由层子构成的。层子这个名字是为表明物质微观结构有无限层次而命名的。层子的提出,是物质结构史上的重大进巳。层子有几种?1974年以前,人们认为只有三种。1974年出现了新怜况。美笈物理学家丁肇中在实验中发现了一种奇怪的新的重介子,它的质易约为质子的三倍,寿命却出奇的长。我们用英文字母J来表示它。以后又相继发现了质量与J粒子相近的几种重介子。这些重介子的发现,使得我们必须把层子的种类增加到四种才能解释它们的存在。但事恃并不那么简单,1977年,美国费米实验室又发现一个质量约为质子10倍的重粒子个,迫使我们把层子的种类增加到五种,从目前实验看,层子的种类还有增加的趋势。这就说明,层子也还有内卫结构,不然为什么会有这么多种呢?
我们可以把层子叫做物质微观结构的第四层次。上百已谈到,实验上已有迹象表明,层子可能有内卫结构,同时,也有一些迹象表明,轻子也可能有内卫结构,所以,物质微观结构还存在着第五层次、第六层……我们现在正处在研究层子结构和轻子结构的大门口。
以上我们看到,宇宙往小的方百走,第一层次是尻子,第二层次是原子核,第三层次是“基本”粒子,第四层次是层……对每个层次内卫矛盾及其运动规律的研究都产生了相应的物理学。研究第一层次一原子内下结构及其规律的科学叫尻子物理学。研究尻子构造需要变革尻子,变革原子需要的能易很低,通常用十个电子伏的能舅(具有一个电子电务的粒子通过一伏电位差所获得的能异,称为一个电子伏),就可以把原子外层的一个电子打掉,使尻子“电离”。例如,常见的摩按起电,就是用摩按的办法使原子电离。所以,研究原子物理所用的能身很低,因此,屍子物理又叫低能物理。研究第二层次一原子核内T构造及其规律的科学叫原子核物理学。把一个质子或中子从原子核中打出来,平均需要八百万电子伏,比从尻子外层打出一个电子用的能异高八十万倍。尻子核物理可叫“中能物理”。那么把第三层次——“基本”粒子例如质子、中子等打碎需要多高的能分呢?从现在实验研究的传况看,至少比研究原子核时需要的能异高几十倍、几百倍甚至更高。也就是说,研究“基本”粒子内下结构及其规律所需要的能易比研究尻子、尻子核时用的都要高得多,这就是为什么把研究“基本”粒子内TJ结构及其规律的科学叫高能物理学的原因。
如果研究层子内下结构,要变革层子,显然需要更高的能异。我们不妨暂把研究层子内刀绡构及其规律的科学叫超高能物理学。物质微观结构无限层次及相应的物理学可由下占的简图表示:
图中虚线代表还没有完全弄违楚的层次。
二、如何研究高能物理
前面已经讲过,要研究“基本”粒子就必须设法变革“基本”粒子。迄今为止,我们所知边的变革“基本”粒子的唯一方法是用高能粒子做“炮驵”去轰击它们。这就好象打仗一样,要想知边敌人阵地的火力配备,方法之一就是用炮弭轰击敌人阵地做火力侦查。炮驵在敌方阵地炒炸后,我们还得用望远铁、照相机等观文记录敌方阵地的反应,取得第一手的资料。在研究高能物理过程中,这一步就相当于用探测田记录“基本”粒子的碎片。当然,现代高能物理实验研究用的探测口比普通的照相机、望远饼要复杂和庞大得多。第三步就要对取得的资料进行分析处理,弄泠敌方阵地的传况,即找出“基本”粒子内部结构的规律。简单说来,这就是研究高能物理的主要方法。
轰击“基本”粒子“炮驵”的种类很多,常用的有电子、μ介子、光子、中微子、质子、反质子、r介子、K介子等。这些“炮驵”从哪里来呢?有两种来沅:一种是宇宙射线,一种是粒子加速田。宇宙射线是从宇宙太空射到地百上来的高能粒子流。其中大刀分粒子具有几亿至几十亿电子伏的能男。少数粒子具有更高的能努。到目前为止,探测到的宇宙线粒子的最高能男达102*电子伏。而目前世界上最大的加速器也只不过把质子加速到5X10*1电子伏。所以宇宙线的优点是可以得到具有能勞很高的粒子。缺点是高能粒子的数目太少,又不能人工控制,只能“偕天吃饭”。根据宇宙线的这些特点,它只适用于做定性的研究工作,如寻找新粒子和新奇现象的核反应事例。在高能物理发已的初期,即二十世纪三、四十年代,宇宙线研究曾起过先锋开路的作用。正电子、阶子、n介子、K介子和许多其他粒子就是首先在宇宙线研究中发现的。但要对“基本”粒子现象做定舅的转密研究,宇宙线就不行了,必须用人工的方法,在实验室中产生出高能粒子流来。加速凹就是产生高能粒子流的机器。
我们知边,带电粒子在电场中受电力作用会越飞越快(当电力方向保持不变时)。这种现象我们称之为“加速”。带电粒子在磁场中受磁力作用会拐弯,但速度大小不变。正是利用带电粒子在电磁场中运动的特点,人们迫造了直线型和环形加速器。直线型加速器中粒子在抽了真空的市的管边里被加速,而环形加速器中粒子则在抽了卖空的环形管边中被加速。粒子要被加速到最高能异,然后引出来去打靶。直线加速器有电子直线加速田和质子直线加速器两种。它们的特点是被加速的质子和电子数目特别多。当前世界上最大的电子志线加速器电子能男为220亿电子伏,流强为50微安。而流强最强的质子市线加速凹质子能舅为8亿电子伏。环形加速器也有电子环形加速器和质子环形加速田两种。现有的电子环形加速口电子能务都在120亿电子伏以下。目前世界上质子环形加速田达到的最高能易为5000亿电子伏。环形加速凹的特点是能男高,同样高的能男的加速器造价比直线的便宜,但流强小。不管哪种加速器,所加速的粒子的数目都比宇宙线中粒子的数目多得多,并且加速田中粒子的数目和能另大小都可人工控制,不必“借天吃饭”。
有了“炮驵”,就可以把“基本”粒子打碎。要研究“基本”粒子内部结构及其规律性就需要对这些碎片进行分析研究。这就需要探测和辨认各种碎片(即各种粒子)的仪器一探测田。探测田可以测男粒子的速度、寿命、质易、电荷、自旋等等。根据测舅的各种数据,就可辨认各种粒子。探测四大体可分为两大类。一类是径迹探测四,如云雾室、泡室、核乳胶、火花室、流光室等。这类探测四的特点是可以把带电粒子的径迹(即粒子走的路线)传晰地显示出来,因此辨认比较可倍。但如果一次飞到探测田内的带电粒子太多,则径迹过密,互相重迭,就看不传楚了。另一类是计数田,如闪烁计数田,契仑柯夫计数口等。主要用于在外时间内测男粒子的数目、能男、速度、到达时间等。这类计数田探测速度快,一次飞到计数口内粒子数目很多时仍能记录。还有一类探测叫在一定程度上兼有上述两类探测田的特点,如多丝正比室、漂移室等。这类探测凹既能在外时间内记录大异粒子的数目,又能定出粒子的径迹,是近年来发展起来的新型仪四。它们的应用越来越广泛。
如上所述,有了“炮驵”,可以轰击“基本”粒子,又有了探测田,可以辨认轰击后的碎片,并把变革“基本”粒子的全过程记录下来(记录的结果称之为“数据”)。第三步就是如何对这些实验数据进行分析企理,找出规律性的东西了。
高能物理取得的数据男是很大的,如泡室拍的照片在一个实验中达几十万张。如果用手工方法来分析处理这些照片那简直是不可想象的。近年来广泛采用大型电子计赫机系统配合各种自动测异装置来进行数据处理,大大节省了时间,很多怜况下实验做完了,数据也处理好了。对这些处理好的实验数据,还需要进行理论研究。科学家们从已知的事实出发,参照经过实践反复检验过的正确的自然科学理论,对所取得的数据加以去粗取精,去伪存真的分析,找出规律性的东西来。然后,再把这些规律性的东西拿到实践(高能物理实验)中去检验,看它们是否正确,是否需要冬改。这样经过实践——理论——实践的多次反复,便可逐步认识和掌握“基本”粒子內刀矛盾的本质。这就是我们研究高能物理的主要方法。
三、为什么要研究高能物理
首先,高能物理研究具有重要的哲学、政治忌义。列宁在批判俄国党内存在的爹正主义思潮时提出了“电子也是不可穷尽的”英明论断。毛主席在批判国际、国内的唯心论和形而上学时,多次阐述了物质无限可分的光辉哲学思想。高能物理正是研究物质微观结构的无限层次中某些央体层次及其具体规律的,因此,高能物理研究是捍卫唯物论和辩证法、反对唯心论和形而上学的重要阵地。
从对国民经济各部门和科学技术现代化的形响来看,高能物理研究是具有战略性的项目。恩格斯说:“在马克思看来,科学是一种在历史上起推动作用的、革命的力男”。物质微观结构的规律性,既然是自然界最基本的规律之一,高能物理的研究和发已必然同新材料、新能沅、新技术的发已有密切的联系。从历史上看,任何一种新的物质运动形式的发现和理论上的突破,总是导致重大技术革新或革命,带来科学技术的突飞猛进。十九世纪末到二十世纪初,人类认识了物质微观结构的第一个层次——原子以后,产生了电子学、周体物理学、半导体物理学,出现了电子计标机、自动控制、激光等新技术。人们在研究物质微观结构的第二层次——原子核的时候,在很长的时间内,简市无法予见它的实际应用,连著名物理学家卢瑟福也认为,人类在任何时候都不可能利用元子核中的能男。但是,他死后不到两年,人们就发现了原子核的裂变现象,不久就产生了原子胆、氢驵、原子能发电,从而尸现了人类利用原子能的广阔前景。可以肯定,人类对“基本”粒子——物质微观结构的第三层或更深层次的研究突破之后,必将对各门学科和生产各部门产生更深远的形响。为此,我们必须抓紧对高能物理的研究。正如我们敬爱的周总理吸咐我们的:“这件事不能再延迟了。”
目前,虽然高能物理研究中的一些基本课题还没有得到解决,但研究过程中的一些成果、方法、仪器设备和手段已经开始有了很有前途的应用。如高能强流质子加速器可以产生大男快中子、n介子,可以用来进行固体物理、原子核物理、化学、生物学、医学和因防应用科学的研究。质子流、快中子流和负n介子流还可用来治癌。质子流与高能物理研究中使用的探测田联合可以代替X光透视。这种特殊技术叫“质子照象”。其特点是图象显示更传晰,更细致,有可能用于早期癌扩变的诊断。
高能电子同步加速叫中电子转圈时会放出强X光辐射(称同步辐射),可做强X光沅。用这种强X光进行生物物理、固体物理等研究,比起普通X光技术可能是一种重大革新。这种强X光还可用于电子工业中大规模集成电路的光刻。
此外,高能物理研究基地又是一个向国民经济各部门轨送新技术、新工艺的场所。如各种特殊磁性材料和磁铁技术、大功率高频技术、大规模低温超导技术、大容积超高真空技术、自动控制技术、图象自动判读技术等。
近年来的研究表明,用高能重离子加速叫给受控热核反应点火,用强流质子直线加速田生产核燃料,也都在探索中。
总之,高能物理研究还处于幼年时期。主要“产品”还没拿到手,但“付产品”已层出不穷。作为贝有战略忌义的基础研究,高能物理已开始开辟一些新的研究领域如中微子天文学和高能天体物理等。高能物理研究基地还将为国民经济各部门培养和轨送优秀的科研人材。
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