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為什么研究小小的基本粒子,要用巨大的加速器
2017-09-04 |文章來源: 中國科普網 朱偉| 瀏覽次數:  |

  1979年9月4日,華裔美籍物理學家丁肇中領導的高能物理實驗小組,在西德漢堡的一臺高能加速器上找到一種新粒子——膠子。現在,讓我們來了解一下,為什么研究粒子都要用加速器! 

  基本粒子是目前人們直接觀察到的最小的粒子。

   

  基本粒子究竟有多么小?如果有一種放大鏡能把乒乓球放大到地球那樣大,按同樣的放大倍數來看基本粒子,也不過像一只乒乓球那樣大。把一萬億個基本粒子排成一列橫隊,叫這列橫隊齊步穿過縫衣針的小孔,也還綽綽有余。為了研究這小小的基本粒子,物理學家卻動用了直徑大到2千米的高能加速器,這是為什么呢?原來,在微觀世界中,物質運動的規律同我們平時生活中所見到的完全不同。在宏觀世界里,粒子運動的時候,總有一條明確的軌跡;波動則是以彌漫于空間的形式出現的。因此,粒子就是粒子,波就是波,誰也不會把它們混淆起來。

   

  20世紀初,當物理學家的研究深入到分子、原子以及更深的層次時,卻發現這些微小的粒子,有許多奇怪的行為,不能用以往的經驗來解釋。法國有一位歷史學家叫路易斯?徳布羅意,他受到研究實驗物理學的哥哥的影響,改行研究物質結構。1924年,他向巴黎大學理學院遞交了一篇博士論文,在論文中他提出了一種新觀點,認為任何一個粒子的運動都有一種波和它伴隨,并影響到粒子的運動。這種波的波長,和粒子的動量成反比。由于我們肉眼所看到的物體質量太大,用德布羅意的公式來計算波長就非常之短,觀察不到這種波的影晌。可是,對于原子和分子世界中的粒子來講,這種波的行為卻很強烈。徳布羅意認為,只要承認這個假定,就可以解釋如原子這類粒子的許多反常的行為。開始,大家對他的說法將信將疑,不久實驗證實了徳布羅意的觀點。這位新博士因此獲得了諾貝爾獎。

  物理學家在探索微觀世界時,經常采用的一種方法是把一束已知性質的基本粒子作為炮彈,去轟擊所要研究的某種未知的基本粒子,通過觀察它們之間的相互作用,來研究靶粒子的性質。在研究基本粒子的時候,為了看清它的結構,作為炮彈的基本粒子的波長,應該越短越好,或者是它們的動量越大越好;否則,由于波動的強烈干擾,很難對靶粒子作出精確的測量。可是,粒子朿的能量越大,它們就越難馴服,就是要它們轉個彎也很不簡單。解決的辦法,只能把加速器的“跑道”彎曲的程度盡量減小,這樣加速器的直徑也就越來越大了。

   

  著名的意大利原子物理學家恩里科?費米,曾風趣地說過:如果人們想要制造一臺能量達到宇宙射線那樣的加速器,這臺加速器的圓周就會大得足以套到地球的赤道上。但是,人們相信,將來利用某種新技術(如超導技術),可以使加速器的尺寸大為縮小。不過,從目前的情況來看,物理學中研究的對象越小,使用的儀器設備確實是越來越大了。


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