介绍宇宙射线(Cosmic Ray)的书–宇宙飞弹(1)

2020-06-17 10:20:28 来源:A宅生活385人评论



介绍宇宙射线(Cosmic Ray)的书–宇宙飞弹(1)

这是一本专门介绍宇宙射线的书,虽然是涉及高能物理学,但是,在作者的用心笔耕下,许多平常无法了解的高深学问(如量子物理、相对论…等等),竟然可以轻鬆进入学习状况。

作者罗杰.科莱、布鲁.道森与编者保罗.戴维斯都是南澳阿得雷得大学物理系教授,他们进行宇宙射线地面观察工作多年,对宇宙射线的搜寻、分析与解读很有一套,可以说是研究宇宙射线的专家们,这本书就是他们合作的结晶。
宇宙中充满许许多多美丽的奇景,特别是这些年来,在太空中执行观测任务的哈柏望远镜,更是开阔了我们的视野,然而人的眼睛能够看得到的光(能量),仅仅是这个宇宙所散发总能量的千亿分之一,我们不禁要问:除了可以看见的光之外,相当高的能量是用什幺样的形式存在宇宙?有多少的宇宙秘密,蕴涵在这些能量变化中?宇宙射线可能就是解答这些问题的关键,但是,由于它看不见 (观测的对象是高能粒子而不是可见的光),因此,这是一个全然未知的天文学领域,人们对它的研究也是一直处于瞎子摸象的情况中,直到近年来,仪器与观念的进步,我们才能对宇宙中,高能的物质(也就是宇宙射线)有些认识,人们也渐渐了解宇宙射线给我们带来许许多多的宇宙深部的讯息。

宇宙射线是什幺?

这些宇宙射线是具有高能的粒子流,这些粒子主要是由原子核与质子所组成,这些原子核都是我们熟悉的氢、氦、锂、铍、硼、氧、氮、碳、铁….等的完整原子核或质子。它们行进的速度接近光速,具有极大的能量,这一能量比原子核内部结合再一起的力量大1000倍,因此,如果有一个原子遭受宇宙射线轰击,那幺它的内部原子核会散裂,成为较轻的原子核,例如氧、碳的原子核被高能的宇宙射线撞击可能形成较轻的氢、锂、铍、硼…等等原子。

宇宙射线粒子的能量高达10E20电子伏特(能量的单位),现在世界最大的加速器只能把粒子加到10E10电子伏特,而在太空船上所遇到的宇宙射线粒子能量,有可能高达到10E30电子伏特。但是,愈高能量的宇宙射线粒子出现的个数愈少,因此,我们的身边大多是较低能量的粒子。例如: 每平方公尺的面积上,每年可以收到一颗能量高达10E16电子伏特的粒子;而相同的面积上,却可能每秒收到一颗能量高达10E12电子伏特的粒子。

宇宙射线粒子是如何达到如此的高能与高速呢?那儿是这些粒子的家呢?宇宙的粒子加速器是什幺?什幺样的机制能把单个粒子加速到如此高速高能量呢?这些都是研究宇宙射线的人们想要尝试回答的问题。

宇宙射线的发现过程

在1785年时,法国的物理学家库伦发现任何的带静电物体,都不能永久保持电荷量,电荷总会以神秘的方式逐渐跑掉,即使用绝缘体隔开,电荷仍会慢慢的消失影蹤。一直到十九世纪,科学家们认识到,空气中有许多的带电粒子,如果是空气中带有正电的粒子,就会被带负电的物体所吸走,因此,带静电物体的电荷会逐渐放电。问题是空气中许多的带电粒子是从何而来?

英国物理学家威尔逊,在各种不同地点(城市与乡下),测量粉尘浓度不同的空气,看看是否会有不同的漏电速度,结果失望地发现漏电速度并不受空气中粉尘浓度影响。他又到地下室测试漏电速度 (以现在的科学知道漏电速度会有差别),但因那时验电瓶灵敏度不够,无法看到地上和地下的差异。一直到1912年,才有重大的发现:奥地利物理学家海斯乘坐着热气球升空,测得愈高空漏电速度愈快,推想出空气中有许多的带电粒子,是由外太空而来。海斯进行一系列的英勇飞行,他飞升到5000公尺以上的高空,那时并没有氧气筒可以用,而且每次的实验程序要耗费一个小时停在高空上,在那个时代,我们可以想像,在飞行中做研究是非常的危险。

海斯想要知道太阳是否就是空气中带电粒子的来源。因此,他选在日食发生时与夜晚时,分别做相同的飞行实验,结果并没看出与平常的差别,也就是说,带电粒子并不是来自于太阳。在1918年,德国物理学家盖革,做出了粒子计数器,每当有带电离子通过盖革计数器时,仪器就会喀哒作响,这是最早的辐射测量计数器。之后威尔逊,研发出能记录带电粒子经过路径的云雾室,(如图所示)

介绍宇宙射线(Cosmic Ray)的书–宇宙飞弹(1)

参考资料:
http://www.phy.cuhk.edu.hk/astroworld/
http://www.tas.idv.tw/
http://tech.china.com/

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