第15章 汤普金斯先生品尝日料
一个周末，茉德去约克郡探望阿姨了，汤普金斯先生约教授去一家著名的寿喜烧餐厅共进晚餐。他们坐在矮桌旁的软垫上，享受着日本精美菜肴，用小杯子抿着日本清酒。
汤普金斯先生说：“那天我听泰勒博士在讲座中说原子核内的质子和中子是由一些核作用力才贴合在一起的。那你告诉我，将电子困在原子内的是不是这类核作用力？”
“不是的！”教授回答他，“核作用力与其他力有一定的差别。原子中的电子是由普通的静电力才吸引在原子核的周围，18世纪末法国物理学家库仑首次提出静电力并深入研究。这种力相对来说比较弱，而且与原子中心的距离的平方成反比例递减。而核作用力却大有不同。当一个质子和一个中子相互靠近，但又不直接接触，实际上它们之间是没有作用力的。但一旦它们接触了，就出现了一个超强的力将它们紧紧地贴合在一起。就像两片胶带，它们近距离靠近的时候并不会相互吸引，但是一旦它们接触了就像兄弟一样难以分开。物理学家称这些力为‘强相互作用’。它们与两个粒子所携带的电荷无关，而且质子与中子间、两个质子间、两个中子间，这些力都是一样的。”
“有没有什么理论可以解释这些力呢？”汤普金斯先生问。
“有的。在30年代早期，日本理论物理学家汤川秀树提出，它们的产生是由于两个核子间有一种未知的粒子相互交换。核子是质子和中子的统称。当两个核子相互靠近的时候，它们之间有这些神秘粒子跳来跳去，形成了一股强结合力将它们贴合在一起。汤川从理论上推测出了神秘粒子的质量，大约是电子质量的200倍或者是核子质量的十分之一。因此，他称它们为‘介子’。接着维尔纳·海森堡的父亲，一位古典语言教授，反对这种叫法，认为是对希腊语的亵渎。你看，‘电子（electron）’这个名字，是由希腊语中‘琥珀’μερον一词变过来的，而‘质子’（proton）是由希腊语‘第一的’ЛρωΤον一词变过来的。但是汤川粒子的名字源自希腊语‘中间的’μερОV一词，这个词中间不应该有字母‘tr’。因此，在一场国际物理学会议中，海森堡提议将介子的名字‘mesatron’改成‘meson’。一些法国物理学家反对的原因是，与拼写无关，‘meson’读起来像是‘maison’，这个词在法语中是‘家或者房子’的意思。但是他们的反对被驳回了，现在‘meson’这个术语已在学界稳定扎根。快看舞台上！他们要表演一场介子秀了！”
确实，六位艺伎出场，开始表演剑玉。她们一手拿着一个杯子，然后将一颗球在两个杯子间抛来抛去。舞台背景上出现了一个男人的面孔，他唱道：
因为介子，我获得了诺贝尔奖
至于成就，我选择不在意
拉姆达零，横滨，
伊塔和K，富士山——
因为介子，我获得了诺贝尔奖。
在日本，他们提议叫它汤川子。
我反对了，因为我是一个非常谦逊的人。
拉姆达零，横滨，
伊塔和K，富士山——
在日本，他们提议叫它汤川子。
“不过为什么有三对艺伎？”汤普金斯先生问。
“她们代表着介子交换的三种可能，”教授说，“介子有三种：正电荷、负电荷和电中性。可能三种介子全部参与到核作用力的生成中。”
“所以现在有八个基本粒子了，”汤普金斯先生掰着手指头数，“中子、质子（正负电荷），负电子、正电子，还有三种介子。”
“啊！”教授说，“不是8个，接近80个。起初人们发现有两种介子：重介子和轻介子，分别由希腊字母π和μ表示。重介子是由非常高能的质子与大气边缘空气中气体的原子核相互作用产生的。但它们非常不稳定，在到达地表之前就分解了，分解成轻介子和中微子——它们中最神秘的粒子——没有质量也没有电荷，只是能量的携带体。轻介子的保存时间稍微长一点，大概几微秒，所以它们可以到达地表，但以后在我们的眼皮子底下衰退成普通的电子和两个中微子。然后还有一种称为K介子的粒子。”
三个艺伎在玩不同寻常的剑玉游戏
“这些艺伎们在扮演哪种粒子？”汤普金斯先生问道。
“噢，可能是重介子，中性的那种，它们是最重要的，不过我不确定。现在我们几乎每个月都要发现新的粒子，它们绝大多数都很短命，即使是以光速运动，它们从生成开始，在几厘米的距离内就要衰退，所以即使是用气球送到大气层里的小装置都无法观察到它们。”
“不过，我们现在有很强的粒子加速器，可以将质子加速到具有当时在宇宙射线中一样的高能量：几十亿电伏特。其中一个加速器，叫作劳伦斯加速器，就在附近的一座小山上，我很愿意带你去看。”
开了一小会儿车，他们就到了一座大楼里，里面有粒子加速机器。进入大楼，汤普金斯先生就被震撼了，这个巨型装置太复杂了。但是，教授向他保证，它在原理上并没有比大卫用来杀死歌利亚的弹弓还要复杂。带电的粒子进入这个巨型筒里，沿着越发分散的螺旋形轨迹运动，然后交流电脉冲给它们加速，最后在强磁场内排成一条直线。
“我觉得我之前看过类似的东西，”汤普金斯先生说，“当我参观粒子回旋加速器的时候，好多年前人们称它为原子加速器。”
“是的，是的，”教授说，“你之前看的那个机器就是劳伦斯博士最初发明的。你现在在这里看到的是基于相同的原理，不过不是将粒子加速到几百万伏特，而是加速到几十亿伏特。美国最近建了两台：一台在加州伯克利，叫作高功率质子回旋加速器，因为它制造出的质子具有十亿电子伏特级的能量。这是很严格意义上的美国名字，因为在美国，一个‘billion’是十亿。而在英国，一个‘billion’是万亿，所以英国没有人尝试过去获得这样的成绩。美国另一台粒子加速器在长岛的布鲁克海文，叫作宇宙线级回旋加速器，这有点夸张了，因为自然宇宙射线所能提供的能量要比这个加速器提供的高得多。在欧洲，靠近日内瓦的欧洲原子核研究中心，他们建了可以与美国的两台相媲美的加速器。在俄罗斯，离莫斯科不远的地方，也有一台那样的机器，就是我们所熟悉的赫鲁晓夫加速器，现在可能会被重命名为勃列日涅夫加速器。”
环顾四周，汤普金斯先生注意到门上挂了一个标志，上面写着：
阿尔瓦雷兹的液态氢洗浴装置
“那儿是什么？”他问教授。
教授说：“噢！劳伦斯加速器会制造出越来越多的不同基础粒子，它们的能量越来越高，人们要想对它们进行分析，就需要观察它们的运动轨迹，计算它们的质量、生命周期、相互作用，以及其他特质如奇异数、宇称等。”
在以前，人们用威尔逊发明的所谓的云室来进行观察。威尔逊还因为此发明在1927年获得了诺贝尔奖。当时，物理学家们所研究的最快的粒子不过是只有几百万电子伏特能量的电荷粒子，他们把这些粒子送入云室。云室有一个玻璃顶，里面的空气由水蒸气加湿到近乎临界值。当云室的底部猛然下沉，里面的空气就因为空间的扩张而冷却，而水蒸气变得过于饱和。因此，一部分的水蒸气不得不聚集成小小的水滴。威尔逊发现，在离子，即气体的带电荷粒子，其周围的水蒸气凝结速度快了很多。但电荷炮弹穿过云室的轨迹旁边的气体都已经电离化了。因此，水雾留下了朦朦胧胧的线条，这些线条被装在云室另一端的光源照射到了，在云室完全涂黑的底部显现了出来。你一定记得我在之前的讲座里展示过的这些照片。
“现在，宇宙射线粒子的能量比我们原来研究的那些翻了数千倍，由于它们的运动轨迹太长了，云室太小了，因此不能从头到尾都可以记录它们的运动轨迹，整个过程中只有一小部分能被观察到。最近，年轻的美国物理学家格雷色将技术向前推进了一大步，这确保了他于1960年获得诺贝尔奖。据他所说，他当时正郁闷地坐在酒吧里看着面前的啤酒瓶里的泡泡在往上冒，然后，他突然想到，既然威尔逊可以研究气体中的液滴，那么自己说不定可以研究**中的气泡？我接下来并不会讲到技术细节，”教授继续，“也不会说小装置设计的困难点；这些你可能都不会懂。最后结果是，为了使整个过程顺利进行，在我们现在所称为的气泡室里的**一定得是液态氢，液态氢的温度大约是-252摄氏度。在接下来的一个房间里，就是阿尔瓦雷兹造的一个大型容器，里面灌满了液态氢，所以他们通常称为‘阿尔瓦雷兹的浴缸’。”
“呃……这对于我来说太冷了！”汤普金斯先生叫道。
“噢，你不必进去，你只要通过透明的外壁看看里面粒子的轨迹。”
浴缸照常在运行，周围很多闪光相机一连串地拍着照片。
浴缸放在一个巨大的电磁中间，电磁的作用是约束着粒子的运动轨迹，以便于人们推测它们的运动速度。
“生成一张照片只需要几分钟，”阿尔瓦雷兹说，“只要装置没有出问题要去修的话，一天可以拍几百张照片。每张照片都要好好观察，每个轨迹都要研究，轨迹曲度也要仔细测量。看一张照片的时间可能是几分钟到一小时不等，这取决于这张照片有没有趣，以及也要看分析图片的姑娘的工作效率。”
“你为什么说‘姑娘’？”汤普金斯先生打断他的话，“这是一个纯女性职业吗？”
“噢，不，”阿尔瓦雷兹说，“这些姑娘当中很多都是男孩子。但在我们这一领域，我们用的术语‘姑娘’不设计性别因素，仅仅是作为工作效率与精准度的一个单位。当你说‘打字员’或者‘秘书’的时候你总是会想到是女性而不是男性。好吧，要分析我们实验室里所有这些照片上的点，我们需要几百个女孩子，这明显是一个大难题。所以我们将大量的照片发送到其他国家，那些国家没有足够的资金来建劳伦斯加速器和泡泡浴缸，但是可以置办分析我们这些照片的小装置。”
“那这里是唯一进行这项研究的机构吗？”汤普金斯先生询问他。
“不是的！在纽约长岛布鲁克海文国家实验室里，在日内瓦欧洲原子核研究中心，以及在苏联莫斯科附近的高能物理研究所，都有相似的装置。他们总是像在干草垛里寻根针，上帝保佑，他们一会儿就找到了！”
“但为什么这项工作一直在进行呢？”汤普金斯先生惊讶地问道。
比门捷列夫的周期表复杂得多！（G.F.周，M.盖尔曼，A.H.罗森菲尔德，《科学美国人》，1964.02）
“要想找到新的基本粒子，然后研究它们之间的相互作用，这比大海里捞针还要难。这里，墙上挂着一张粒子图表，里面所包含的粒子数量已经比门捷列夫系统里元素的数量还要多了。”
“但只是为了找新粒子，有必要耗费如此大的精力吗？”汤普金斯先生问。
“好吧，这就是科学，”教授回复他，“大到恒星系，小到微小的细菌甚至是这些基础粒子，人类想要了解身边的一切。研究它们很有趣、很兴奋，这就是为什么我们要这么做的原因。”
“但科学的发展是不是为了现实的目标，比如为了人类生活的改善，使人类更舒适幸福？”
“当然是的，不过这只是第二层目标。你觉得音乐的主要目的是让军号手清晨叫醒士兵？喊他们吃饭？或者命令他们上战场？人们总说‘好奇害死猫’，我要说‘好奇成就科学家’。”
说完这些话，教授跟汤普金斯先生说了声晚安。
-终-