发展迅速的高能物理研究 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：专论

　　发展迅速的高能物理研究
曲国斌
高能物理作为探索微观世界奥秘的一门科学，日益引起各国科学家们的高度重视。随着现代科学技术的进步，人类对这门科学的研究愈加深入，其发展速度令人瞩目。
宇宙最基本的结构究竟是什么？这可以说是科学家们不断探索的一个永恒课题。
人类对物质微观结构的探索非自今日始。从２０世纪５０年代开始，人类研究物质微观结构进入高能物理研究阶段。其主要任务是研究构成物质的最基本单元，即质子、电子、光子和中微子等许许多多的基本粒子可不可以再分，它们又是由什么更基本的成分构成的，以及这些构成成分之间存在着什么样的相互关系。高能物理学家们在这一阶段，特别是在６０年代以后，接连取得一个又一个举世瞩目的重要研究成果，为进一步深入地进行高能物理研究开辟了光明的前景。１９６７年美国和加拿大的物理学家弗里德曼、肯德尔和泰勒通过实验第一次发现了夸克的踪迹，进而确证了英国物理学家盖尔曼１９６４年提出的夸克是自然界中比质子和中子还小的粒子的理论。他们因此而获１９９０年诺贝尔物理学奖。物理学家曾经预言的自然界中存在的６种夸克，经科学家们的多年努力，现在已经全部找到。尤其是１９８４年欧洲核子研究中心的科学家发现的第６种夸克即“Ｔ—夸克”，有关专家认为，这是人类在探索物质的基本结构方面新近取得的一项重大突破。弗里德曼指出夸克的发现，肯定能为我们这个世界带来远比塑料、电视和原子能更为巨大的变化。但不是现在而是将来。１９７４年美籍中国物理学家丁肇中教授，在一次实验中发现了一种新粒子——Ｊ粒子，并因此而荣获１９７６年诺贝尔物理学奖。这一重大发现曾经轰动了世界，使一度沉寂的高能物理研究又重新活跃起来。１９８３年１月和６月，欧洲核子研究中心的科学家分别发现了Ｗ粒子和Ｚ粒子。这是物理学家在人类历史上第一次找到Ｗ粒子和Ｚ粒子，是传递电磁力和弱作用力的玻色子，从而证实了这两种作用力之间有着密切的联系，是一个对立的统一体。随后，德国物理学家１９８６年又发现一种迄今还不为人所知的新的基本粒子。这种粒子在核冲击区成对地释放出总能量为１７６万电子伏的电子和正电子。科学家们认为，如果继续进行实验证实有这种基本粒子存在，将对高能物理的研究与发展产生不可估量的影响。
要研究基本粒子，必须把直径只有１００万亿分之一厘米左右的基本粒子打开，而打开一个基本粒子，则需要几十亿、几千亿、几万亿甚至几十万亿或几百万亿电子伏特的能量。如此高的能量怎样产生出来，就得靠一种专门的设备——高能加速器方能实现。高能加速器一般是指能量在１０亿电子伏特以下的加速器。按利用高能粒子流的方式来分，有普通高能加速器和对撞机。
随着探索微观世界层次的不断深入，对高能加速器的规模和被加速粒子的能量要求越来越高。但是有人估计，即使把加速器做到同地球一样大，所能提供的能量还是满足不了人们的需要。怎么办？人们发现两辆高速行驶的汽车迎面相撞，其激烈程度要远甚于一辆汽车碰撞墙壁。这就启示科学家发明了对撞机。根据爱因斯坦的狭义相对论，两股束流相撞，其等价的能量要比用一股束流的静止靶上的轰击能量大得多。因此现在世界上一些发达国家都在竞相大力建造对撞机这种类型的加速器，这已成为当今高能加速器发展的主流。自７０年代欧洲核子研究中心建成世界上第一台能量为３００亿电子伏特的质子对撞机以来，世界上的对撞机现已发展到十几台。迄今世界上规模最大、能量最高的正负电子对撞机，是欧洲核子研究中心１９８９年７月中旬建成的“莱泼”正负电子对撞机。这座对撞机的首要任务是深入研究Ｚ粒子，而Ｚ粒子正是１５０亿年前一次宇宙大爆炸后一瞬间天然存在的粒子。科学家试图通过观察Ｚ粒子衰变成其他粒子的过程，进而了解物质的最基本结构，以便揭开宇宙诞生的奥秘。１９８８年１０月建成的中国北京正负电子对撞机，其能量虽然比较低，但是它在这个能区的设计亮度却是世界最高的。德国电子同步加速研究中心１９９０年１１月又建成一座巨型强子—电子环形对撞机。它像一台“超级电子显微镜”，观察范围可在１０的负１７次方厘米，相当于质子直径的万分之一。科学家在这个范围内可直观地进行质子结构的观察，以揭示夸克是否可以再分之谜，使人类对微观世界获得更深层次的了解。
从人类发展的历史来看，人类对物质基本结构认识的每一次突破，都必然导致生产力的发展，对工业生产和国防事业产生重大影响。比如原子的发现与研究，带来了无线电、电视、雷达、激光、半导体、计算机、Ｘ光和电子显微镜；原子核的发现与研究，使人们找到了利用原子能的途径，从而制造出原子弹和氢弹，建立了核电站，并发展了放射性同位素的应用；基本粒子的发现与研究，不仅会促进人类对更微观的世界的认识与了解，而且还向人类提供一种新的抗癌手段和制造核燃料的新手段，高能加速器产生的强烈的同步辐射光，还可以用来进行材料科学、生物化学、生物物理、医药科学、环境科学、遗传工程和超大规模集成电路等多方面的应用研究。人们相信，高能物理研究进展的结果，必将给人类带来巨大的经济和社会效益。