(一):奇怪的魔炉
“在一个风雪交加的夜晚,当你从寒冷的户外进入屋里,你最想做的一件事是什么?”
“我可能会找个温暖的角落坐下,火炉或暖气旁边,要么躲到被窝里去。”
“假设火炉里没有火呢?”
“那我就找些燃料,木头或煤什么的,把火点燃。”
“火点燃后你是不是感觉温暖一些呢?”
“是的。如果我还感到冷,我就会向炉子里添入更多的柴火。”
“有了更多的燃料,就会使炉子里的温度不断上升,提供给你更多的温暖吗?”
“我想是的。噢,对了,如果温度上升的太高,炉壁也许会烤化的。”
“好了,现在让我们设想有一个炉壁永远烤不化的炉子,可以让炉子里的温度任意升高。”
“啊,这种炉子只有神话中的魔鬼或巫师才拥有。”
“现在让我们给这个魔炉一个初始状态,比方说,炉膛的体积为1oo升,加热前的温度为2oc。对了,你知道温度是怎么回事吗?”
“我的课本上说,当物体被加热时,它的原子或分子会不安分起来,不停地四处运动。温度越高,这些粒子的运动速度就会越大。温度只不过是表明原子或分子运动的能量多少而已。”
“你学得不错。现在让我们把炉膛里的空气全部抽光,让炉子里什么也没有。‘什么都没有’的意思是指没有任何物质。”
“你是说炉子里面是真空的?”
“对。现在开始加热,猜猜看会发生什么事情?”
“我猜想炉子里将不再是真空了。”
“完全正确。这时组成炉膛的原子会不断地向四周辐射电磁波,其中包括了光子,充满整个炉膛。”
“喂,等一下,什么叫光子,它和光有什么联系吗?”
“光子是一个不容易被人们理解的概念。我想你已经知道,光是一种电磁波。虽然日常生活中,我们感受到的光似乎是连续不断地照耀着万物,但实际上,光的传播是以一定的量进行的。也就是说,光是一份一份地落在我们的头上的。只是一份光的量非常微小,运动的速度非常快,使我们不可能察觉这一份光与下一份光的时间间隙。科学家们把一份光叫做一个光子。光子与人们所认识的其它一些粒子,如电子和质子的区别是,它们的质量不同。无论是质子或电子,都有自己的质量,但是光子没有静止质量,但它具有能量。”
“我很难想象有这样的粒子存在。”
“的确,绝大多数人与你一样,也很难想象宇宙中存在着没有质量,但是有能量的粒子。这说明人们更习惯于把这些微观粒子的行为与宏观的世界联系起来,人们往往有一种先入之见,即能量必须是有质量的物体的一部分,而不能单独存在。然而,光子恰巧是一种没有静止质量,但有一定能量的粒子。你也许知道爱因斯坦的著名公式,能量等于质量与光速平方的乘积。在爱因斯坦的物理世界中,一个物体的质量就好像是凝固的能量。因此光子以能量的形式存在也就不奇怪了。”
“我有些明白了。光子既然是运动的能量,它同温度应该有关系吧。”
“是这样。还是让我们回到魔炉中。大量的光子由于温度的升高而产生,可以理解为炉膛中充满着光子气体,而且气体的能量是持续上升的。当炉子里的温度达到6o亿度时,两个拥有很高能量的光子在碰撞时,会无中生有地产生一个正电子和一个电子。”
“什么?电子也有带正电荷的吗?我的物理课本中说电子带负电荷。”
“噢,这就要提到反物质了。在2o世纪3o年代初,美国的罗伯特?米利肯对宇宙射线的研究产生了浓厚的兴趣,他的助手卡尔?安德松为了进行研究,设计了一座大型云室。当粒子穿过云室时,尾部会留下一条像喷气式飞机高空飞行时喷出的羽烟似的痕迹。如果在云室中设置一个磁场,带电荷的粒子在经过时就会发生偏转,轨道呈弯曲状。这样,就可以根据粒子轨道不同的弯曲程度推算出粒子本身的特性,比如它的电性。1932年8月2日清晨,安德松开始了一天的工作,他像往常一样观察云室里拍摄的粒子轨道照片。突然他发现了一种奇特的现象,有一种粒子的痕迹初看上去就像电子的轨道,但是它的弯曲程度又与电子有差异,这种粒子很像带有正电荷的电子。接下来,他又研究了许多的照片,并发现了一些同样轨迹的粒子。当他把这一发现报告给米利肯时,米利肯也感到迷惑不解,他又想给安德松有所解释。于是,他对安德松说那不过是普通的质子的轨迹。但过后不久,米利肯便承认,这种粒子是个重大发现,它的质量与电子一样,但是带有正电荷,安德松发现的是一种新的特殊粒子。于是,安德松给这种粒子命名为正电子。这是人类发现的第一种反物质。此后,各种粒子的反物质相继被人们找到。”
“组成我身体的各种粒子都有反物质吗?”
“当然,如果你与一个反物质的你相撞,你就麻烦了。不过我们生活的世界中,反物质极少,不要担心。”
“那我就放心了。你说的各种粒子也包括光子吗?它可是不带电的。”
“是的,光子也有它的反粒子,即光子本身。当一个粒子接近它的反粒子时,会发生爆炸,互相消耗对方,同归于尽。”
“你是说两个粒子就消失了