第15章 湯普金斯先生品嚐日料
一個周末，茉德去約克郡探望阿姨了，湯普金斯先生約教授去一家著名的壽喜燒餐廳共進晚餐。他們坐在矮桌旁的軟墊上，享受著日本精美菜肴，用小杯子抿著日本清酒。
湯普金斯先生說：“那天我聽泰勒博士在講座中說原子核內的質子和中子是由一些核作用力才貼合在一起的。那你告訴我，將電子困在原子內的是不是這類核作用力？”
“不是的！”教授回答他，“核作用力與其他力有一定的差別。原子中的電子是由普通的靜電力才吸引在原子核的周圍，18世紀末法國物理學家庫侖首次提出靜電力並深入研究。這種力相對來說比較弱，而且與原子中心的距離的平方成反比例遞減。而核作用力卻大有不同。當一個質子和一個中子相互靠近，但又不直接接觸，實際上它們之間是沒有作用力的。但一旦它們接觸了，就出現了一個超強的力將它們緊緊地貼合在一起。就像兩片膠帶，它們近距離靠近的時候並不會相互吸引，但是一旦它們接觸了就像兄弟一樣難以分開。物理學家稱這些力為‘強相互作用’。它們與兩個粒子所攜帶的電荷無關，而且質子與中子間、兩個質子間、兩個中子間，這些力都是一樣的。”
“有沒有什麽理論可以解釋這些力呢？”湯普金斯先生問。
“有的。在30年代早期，日本理論物理學家湯川秀樹提出，它們的產生是由於兩個核子間有一種未知的粒子相互交換。核子是質子和中子的統稱。當兩個核子相互靠近的時候，它們之間有這些神秘粒子跳來跳去，形成了一股強結合力將它們貼合在一起。湯川從理論上推測出了神秘粒子的質量，大約是電子質量的200倍或者是核子質量的十分之一。因此，他稱它們為‘介子’。接著維爾納·海森堡的父親，一位古典語言教授，反對這種叫法，認為是對希臘語的褻瀆。你看，‘電子（electron）’這個名字，是由希臘語中‘琥珀’μερον一詞變過來的，而‘質子’（proton）是由希臘語‘第一的’ЛρωΤον一詞變過來的。但是湯川粒子的名字源自希臘語‘中間的’μερОV一詞，這個詞中間不應該有字母‘tr’。因此，在一場國際物理學會議中，海森堡提議將介子的名字‘mesatron’改成‘meson’。一些法國物理學家反對的原因是，與拚寫無關，‘meson’讀起來像是‘maison’，這個詞在法語中是‘家或者房子’的意思。但是他們的反對被駁回了，現在‘meson’這個術語已在學界穩定紮根。快看舞台上！他們要表演一場介子秀了！”
確實，六位藝伎出場，開始表演劍玉。她們一手拿著一個杯子，然後將一顆球在兩個杯子間拋來拋去。舞台背景上出現了一個男人的麵孔，他唱道：
因為介子，我獲得了諾貝爾獎
至於成就，我選擇不在意
拉姆達零，橫濱，
伊塔和K，富士山——
因為介子，我獲得了諾貝爾獎。
在日本，他們提議叫它湯川子。
我反對了，因為我是一個非常謙遜的人。
拉姆達零，橫濱，
伊塔和K，富士山——
在日本，他們提議叫它湯川子。
“不過為什麽有三對藝伎？”湯普金斯先生問。
“她們代表著介子交換的三種可能，”教授說，“介子有三種：正電荷、負電荷和電中性。可能三種介子全部參與到核作用力的生成中。”
“所以現在有八個基本粒子了，”湯普金斯先生掰著手指頭數，“中子、質子（正負電荷），負電子、正電子，還有三種介子。”
“啊！”教授說，“不是8個，接近80個。起初人們發現有兩種介子：重介子和輕介子，分別由希臘字母π和μ表示。重介子是由非常高能的質子與大氣邊緣空氣中氣體的原子核相互作用產生的。但它們非常不穩定，在到達地表之前就分解了，分解成輕介子和中微子——它們中最神秘的粒子——沒有質量也沒有電荷，隻是能量的攜帶體。輕介子的保存時間稍微長一點，大概幾微秒，所以它們可以到達地表，但以後在我們的眼皮子底下衰退成普通的電子和兩個中微子。然後還有一種稱為K介子的粒子。”
三個藝伎在玩不同尋常的劍玉遊戲
“這些藝伎們在扮演哪種粒子？”湯普金斯先生問道。
“噢，可能是重介子，中性的那種，它們是最重要的，不過我不確定。現在我們幾乎每個月都要發現新的粒子，它們絕大多數都很短命，即使是以光速運動，它們從生成開始，在幾厘米的距離內就要衰退，所以即使是用氣球送到大氣層裏的小裝置都無法觀察到它們。”
“不過，我們現在有很強的粒子加速器，可以將質子加速到具有當時在宇宙射線中一樣的高能量：幾十億電伏特。其中一個加速器，叫作勞倫斯加速器，就在附近的一座小山上，我很願意帶你去看。”
開了一小會兒車，他們就到了一座大樓裏，裏麵有粒子加速機器。進入大樓，湯普金斯先生就被震撼了，這個巨型裝置太複雜了。但是，教授向他保證，它在原理上並沒有比大衛用來殺死歌利亞的彈弓還要複雜。帶電的粒子進入這個巨型筒裏，沿著越發分散的螺旋形軌跡運動，然後交流電脈衝給它們加速，最後在強磁場內排成一條直線。
“我覺得我之前看過類似的東西，”湯普金斯先生說，“當我參觀粒子回旋加速器的時候，好多年前人們稱它為原子加速器。”
“是的，是的，”教授說，“你之前看的那個機器就是勞倫斯博士最初發明的。你現在在這裏看到的是基於相同的原理，不過不是將粒子加速到幾百萬伏特，而是加速到幾十億伏特。美國最近建了兩台：一台在加州伯克利，叫作高功率質子回旋加速器，因為它製造出的質子具有十億電子伏特級的能量。這是很嚴格意義上的美國名字，因為在美國，一個‘billion’是十億。而在英國，一個‘billion’是萬億，所以英國沒有人嚐試過去獲得這樣的成績。美國另一台粒子加速器在長島的布魯克海文，叫作宇宙線級回旋加速器，這有點誇張了，因為自然宇宙射線所能提供的能量要比這個加速器提供的高得多。在歐洲，靠近日內瓦的歐洲原子核研究中心，他們建了可以與美國的兩台相媲美的加速器。在俄羅斯，離莫斯科不遠的地方，也有一台那樣的機器，就是我們所熟悉的赫魯曉夫加速器，現在可能會被重命名為勃列日涅夫加速器。”
環顧四周，湯普金斯先生注意到門上掛了一個標誌，上麵寫著：
阿爾瓦雷茲的液態氫洗浴裝置
“那兒是什麽？”他問教授。
教授說：“噢！勞倫斯加速器會製造出越來越多的不同基礎粒子，它們的能量越來越高，人們要想對它們進行分析，就需要觀察它們的運動軌跡，計算它們的質量、生命周期、相互作用，以及其他特質如奇異數、宇稱等。”
在以前，人們用威爾遜發明的所謂的雲室來進行觀察。威爾遜還因為此發明在1927年獲得了諾貝爾獎。當時，物理學家們所研究的最快的粒子不過是隻有幾百萬電子伏特能量的電荷粒子，他們把這些粒子送入雲室。雲室有一個玻璃頂，裏麵的空氣由水蒸氣加濕到近乎臨界值。當雲室的底部猛然下沉，裏麵的空氣就因為空間的擴張而冷卻，而水蒸氣變得過於飽和。因此，一部分的水蒸氣不得不聚集成小小的水滴。威爾遜發現，在離子，即氣體的帶電荷粒子，其周圍的水蒸氣凝結速度快了很多。但電荷炮彈穿過雲室的軌跡旁邊的氣體都已經電離化了。因此，水霧留下了朦朦朧朧的線條，這些線條被裝在雲室另一端的光源照射到了，在雲室完全塗黑的底部顯現了出來。你一定記得我在之前的講座裏展示過的這些照片。
“現在，宇宙射線粒子的能量比我們原來研究的那些翻了數千倍，由於它們的運動軌跡太長了，雲室太小了，因此不能從頭到尾都可以記錄它們的運動軌跡，整個過程中隻有一小部分能被觀察到。最近，年輕的美國物理學家格雷色將技術向前推進了一大步，這確保了他於1960年獲得諾貝爾獎。據他所說，他當時正鬱悶地坐在酒吧裏看著麵前的啤酒瓶裏的泡泡在往上冒，然後，他突然想到，既然威爾遜可以研究氣體中的液滴，那麽自己說不定可以研究**中的氣泡？我接下來並不會講到技術細節，”教授繼續，“也不會說小裝置設計的困難點；這些你可能都不會懂。最後結果是，為了使整個過程順利進行，在我們現在所稱為的氣泡室裏的**一定得是液態氫，液態氫的溫度大約是-252攝氏度。在接下來的一個房間裏，就是阿爾瓦雷茲造的一個大型容器，裏麵灌滿了液態氫，所以他們通常稱為‘阿爾瓦雷茲的浴缸’。”
“呃……這對於我來說太冷了！”湯普金斯先生叫道。
“噢，你不必進去，你隻要通過透明的外壁看看裏麵粒子的軌跡。”
浴缸照常在運行，周圍很多閃光相機一連串地拍著照片。
浴缸放在一個巨大的電磁中間，電磁的作用是約束著粒子的運動軌跡，以便於人們推測它們的運動速度。
“生成一張照片隻需要幾分鍾，”阿爾瓦雷茲說，“隻要裝置沒有出問題要去修的話，一天可以拍幾百張照片。每張照片都要好好觀察，每個軌跡都要研究，軌跡曲度也要仔細測量。看一張照片的時間可能是幾分鍾到一小時不等，這取決於這張照片有沒有趣，以及也要看分析圖片的姑娘的工作效率。”
“你為什麽說‘姑娘’？”湯普金斯先生打斷他的話，“這是一個純女性職業嗎？”
“噢，不，”阿爾瓦雷茲說，“這些姑娘當中很多都是男孩子。但在我們這一領域，我們用的術語‘姑娘’不設計性別因素，僅僅是作為工作效率與精準度的一個單位。當你說‘打字員’或者‘秘書’的時候你總是會想到是女性而不是男性。好吧，要分析我們實驗室裏所有這些照片上的點，我們需要幾百個女孩子，這明顯是一個大難題。所以我們將大量的照片發送到其他國家，那些國家沒有足夠的資金來建勞倫斯加速器和泡泡浴缸，但是可以置辦分析我們這些照片的小裝置。”
“那這裏是唯一進行這項研究的機構嗎？”湯普金斯先生詢問他。
“不是的！在紐約長島布魯克海文國家實驗室裏，在日內瓦歐洲原子核研究中心，以及在蘇聯莫斯科附近的高能物理研究所，都有相似的裝置。他們總是像在幹草垛裏尋根針，上帝保佑，他們一會兒就找到了！”
“但為什麽這項工作一直在進行呢？”湯普金斯先生驚訝地問道。
比門捷列夫的周期表複雜得多！（G.F.周，M.蓋爾曼，A.H.羅森菲爾德，《科學美國人》，1964.02）
“要想找到新的基本粒子，然後研究它們之間的相互作用，這比大海裏撈針還要難。這裏，牆上掛著一張粒子圖表，裏麵所包含的粒子數量已經比門捷列夫係統裏元素的數量還要多了。”
“但隻是為了找新粒子，有必要耗費如此大的精力嗎？”湯普金斯先生問。
“好吧，這就是科學，”教授回複他，“大到恒星係，小到微小的細菌甚至是這些基礎粒子，人類想要了解身邊的一切。研究它們很有趣、很興奮，這就是為什麽我們要這麽做的原因。”
“但科學的發展是不是為了現實的目標，比如為了人類生活的改善，使人類更舒適幸福？”
“當然是的，不過這隻是第二層目標。你覺得音樂的主要目的是讓軍號手清晨叫醒士兵？喊他們吃飯？或者命令他們上戰場？人們總說‘好奇害死貓’，我要說‘好奇成就科學家’。”
說完這些話，教授跟湯普金斯先生說了聲晚安。
-終-