物理學和哲學 · 宇宙輻射和物理學中的基本問題

宇宙輻射，自從它在大約六十年前被發現以來，已經在物理學的發展中起了很重要的作用。從第一次證實自外層空間來到地球的射線到發現這種輻射中很高能量的粒子，發現具有意想不到的性質的新粒子，到發現自然規律中新的基本對稱性，最後到發現星際空間中殘餘物質和磁場的大量信息，以及關於可能產生宇宙輻射的那些過程的大量信息，這是一個非常有趣的歷史過程。但是我不想追隨這條歷史線索。 我試圖把我的講話僅限於宇宙輻射的知識進展所接觸到的或大大推進了的那些物理學基本問題。我在這個講話中主要關心的是這個非常特殊的物理學領域和成為整個物理學基礎的那些基本問題之間的相互作用。在三十年代初，當宇宙輻射在本世紀最重要的物理髮現之———正電子的發現——中起了必不可少的作用時，這種相互作用就顯示出來了。固然，正電子的發現不是在宇宙線研究中最先作出的。狄拉克在他的電子理論中已預言了帶正電的電子的對應物，但是關於正電子的存在的第一個令人信服的證據是安德森、布萊凱特和奧基亞利尼（Occhialiui）在宇宙輻射中發現的。第一批關於簇射的雲室照片（在這張照片上，光子產生了電子和正電子對，而這些粒子當穿過物質時又產生光子）毫無疑問地證實了正電子的存在和狄拉克理論的正確性。不久以後，正電子也在原子核過程中，即在β 衰變中找到了。 關於這個發現的基本重要性，我或許還得稍微多說幾句。到那時為止，物理學家們或多或少不自覺地遵循古希臘哲學家德謨克利特的哲學。如果一個人試圖把一塊物質一次又一次地分割下去，他就會——人們這樣推測——最後分到物質的最小部分而告終，這些最小的部分不能再進一步分割了，因此被稱為原子。這些原子被認為是物質的不可分的、不能改變的單位，作為構成所有物質的基本單元，而原子（或者如我們今天所說的：基本粒子）應當以它們的相對位置和運動來決定各種各樣物質的可見的性質。整個這幅圖象，看來似乎合理，卻被狄拉克的理論和它的後果——正電子的發現徹底摧毀了。決定性的要害主要不在於存在一種迄今未知的新粒子，——以後還發現了許多新粒子，對於物理學基礎並沒有嚴重的影響，要害在於發現了一種新的對稱性，即粒子-反粒子共軛，它同狹義相對論的洛倫茲群，也同能量與質量的相互轉化密切相關。在非相對論性物理學中，任何一種粒子的數目都是一個運動常數，就象能量和動量一樣。在相對論性物理學中，這個數不再是一個合適的量子數了。譬如說，一個氫原子不一定是由質子和電子所組成，它也可以當作是質子、兩個電子和一個正電子所組成，儘管後面這種組成僅僅相當於對氫的整個波函數作很小的相對論性的改正。這種狀況的後果之一，就是推測在兩個粒子的高能碰撞中可以產生大量新粒子，而這些可能性僅受能量、動量、同位旋等守恆定律的限制。又正是在宇宙輻射中，可以檢驗這種推測。 實際上，在三十年代後期，布勞（Blau）和瓦姆巴歇爾（Wambacher）在很高的高空曝光的照相底片上發現了所謂的「星」，就是在底片的同一點開始發出許多徑跡。顯然，一個原子核被一個射來的高能粒子擊中，由於碰撞的結果，它發射出許多不同的粒子。解釋這些「星」不是簡單的事，因為過程的開端可能是原子核中的一種級聯，這種級聯同眾所周知的電子-正電子級聯相類似，隨後就是某種原子核的蒸發。所以這些結果並不立即證實我在前面作出的推測，即僅由兩個粒子的碰撞產生了多數的粒子。但是，隨著時間的流逝，宇宙線實驗能夠得到改進，而在十五年之後，多倍地產生粒子的現象確定不移地實現了。 這些結果意味著「分割」和「組成」的概念只有有限的適用範圍。就象相對論中的「同時」概念和量子論中的「位置」和「速度」概念只能在特殊的限制下使用，而當不分青紅皂白地用錯了地方時就失去意義一樣，「分割」和「組成」的概念也只有在特定的情況下才有確定的意義。當一個粒子可以被少量能量分解為兩個或幾個部分，而粒子的靜止質量比這一小份能量來大得很多，這時，也只有這時，人們可以說粒子由這些部分組成，並可分解為這些部分。在所有其他場合，「分割」或「組成」這類詞就沒有確定意義。而在兩個粒子的高能碰撞中，實際發生的事是由動能產生了新的粒子。採取基本粒子的形式，能量變成了物質。但是，「基本」粒子和「複合系統」之間的區分也沒有確定的意義。粒子是物理系統「物質」的定態。所有這些很重要而又基本的結果在宇宙線研究中有它們的實驗基礎。 宇宙線研究的另一個引人注意的結果是1937年尼特邁耶爾（Neduermayer）和安德森發現μ子，即μ介子。這種客體起先被誤認為是湯川曾預言過的作為核子間強相互作用的物質對應物的那種粒子。但是不久就弄清楚了，μ子同質子和中子這一類重粒子的相互作用是太小了；μ子不可能承擔起原子核中的強相互作用。倒可以說，μ子顯得象是電子的較重的哥哥，它同電子的區別僅在於它有較大的質量。μ子的發現並不象正電子的發現那樣引起物理學基礎發生根本性的變化，但它顯示出粒子譜系中的一個有趣的特徵。這個譜系被分為兩個僅僅微弱地結合在一起的譜項系統，即強子系統和輕子系統。人們從原子光譜已熟悉這種微弱地結合起來的譜項系統。但是，在這兩個場合中引起這種分裂的原因是否相似，還是一個沒有解決的問題。μ子——加上中微子——組成了宇宙輻射中最有穿透力的部分，因此在確定作為大氣高度的一個函數的宇宙輻射強度中起著重要的作用。 我或許還應當提到另一個頗為奇特的情況，在這裡μ子也有助於解決一個根根本的問題。德國在大戰前夕，相對論不為當權者所認可，特別是運動物體中的時間的延緩被批評為荒謬的和純理論的思辨。關於相對論可否在大學中講授的問題，甚至還舉行過審判。在這種爭論中，有一次我能夠指出μ子的蛻變時間應當同它們的速度有關：以接近光速運動的μ子應當比那些以較小速度運動的μ子蛻變得慢一些。——這是相對論的預言。實驗結果證實了這個預言；時間膨脹能夠被直接觀測到，從而為開設相對論課程開闢了道路。所以我對μ子總是懷有感激之情。 戰後不久，鮑威耳在布里斯托發現了μ子，它在大多數宇宙線現象中起著很重要的作用。這種客體滿足了湯川所表述的強相互作用的物質對應物的全部條件；後來知道，這種粒子不是這類粒子中的唯一的一種，而不過是質量最小的一種強子。不久，差不多在所有高能事件中都發現了它。此外，π子變為μ子和中微子，結果也搞清楚了μ子的來源。 就象μ子一樣，π子並沒有引起物理學基礎發生根本性的變化。它只證實了各種各樣的粒子都是成體系的物的各種定態，因它們在基本群的變換中的不同行為而有所不同。這些群要比粒子更為根本。 那時，除了相對論的洛倫茲群，只有同位旋群被認為是基本的。它是在1932年聯繫著原子核物理而發現的；但首先是通過π子，它的基本特性才被完全了解。關於π子的宇宙線實驗證明，同位旋群對於強相互作用是嚴格對稱的，而只有電磁相互作用和弱相互作用破壞這種對稱性。只要假設構成粒子港基礎的自然定律在同位旋變換下是嚴格不變的，就可以解釋上述結果，而對於這種對稱性的偏離是由於不對稱的、簡併的基態所引起。在固體的量子力學中，類似的情況是眾所周知的。 幾乎與發現π子同時，在宇宙輻射中也發現了其他一些粒子，它們比π子重，而它們的行為有某種「奇異性」。它們有相當長的壽命，數量級為10 －10 秒，因此它們的徑跡可以在雲室和乳膠中觀測到。但是如果只考慮已知的對稱性和相應的量子數（重子數、同位旋、角動量〕，這種長壽命就不能理解。人們所預期的壽命要比這短得多，就此而論，它們的行為是奇異的。正確的解釋是1952年由派司（Pais）作出的，他引入了一個叫做奇異性的量子數和相應的對稱性（或變換性）。這樣，宇宙線研究引入了一個新的對稱群；並且因為如我在前面所指出的，群比粒子更重要，這又是對物理學基本問題一個很根本的貢獻。 當時大多數物理學家普遍同意，如果壽命很短的客體可以被觀測到，就可以發現另外的一些粒子。這些粒子不過是成體系的物的一些定態，因此人們可以預期有許多不同的粒子，它們大多具有很短的壽命。這樣的客體只能作為所謂共振態而被觀測到，而為了這個目的，需要有比宇宙線觀測所能提供的更好的統計資料。對於粒子物理學家說來，幸運的是第一批大加速器在當時已經建成並開始運轉，這些加速器就是：布魯克海文的同步穩相加速器、伯克利的高能質子加速器和日內瓦歐洲原子核研究中心（CERN）的質子同步加速器。在此後的一個長時期內，粒子物理學的重要結果都是用大加速器得到的，而宇宙線研究把它的注意力主要轉向天體物理學問題。這種發展趨勢是不可避免的，但並不總是符合粒子物理學家的願望；這是一個可悲的轉變。 浪漫的時期過去了，在那個時期，在高海拔的高山實驗室對雲空照片的研究，可以同滑雪和登山相結合，或者，氣球實驗可以象我們的義大利朋友所做的那樣，在義大利海軍的飛機和軍艦的支援下，從地中海的一個風景秀麗的島嶼出發。無疑，地中海和煦的太陽對科學實驗的成功已作出了貢獻。但是，這個歡樂的時期現在已經一去不復返了，粒子研究必須在大加速器機構的「乾巴巴的」氣氛中進行。 在天體物理學中，宇宙輻射成了一個很有價值的新工具，它有可能在恆星的可見光和紅外光所得的信息之外提供新的信息。第一個問題當然是宇宙輻射的起源。福爾布希（Forbush）已經認識到，宇宙輻射的某些低能部分偶爾也從太陽發射出來，就是從太陽表面的某種湍流現象發出。但是很快就知道，要對宇宙線的起源問題作確定的回答，需要對恆星之間、我們的行星系中（這裡我可以提醒你們注意比爾曼（Biermann）最先討論的太陽風）、我們的銀河系中、最後在河外空間中的等離子體的電磁場有充分的知識。對這些電磁場的研究成了近年來天體物理學的中心部分，並且利用宇宙輻射已得到了許多信息。關於它的起源，現在普遍的意見似乎是：超新星和它們的遺骸脈衝星是高能宇宙線的主要來源。但是，我不想深入探討天體物理的細節，而想回到我最初提出的問題：宇宙輻射在哪些地方觸及了物理學的基本問題？ 我剛才提到了脈衝星，它屬於迄今為止觀察到的具有最大密度的恆星。它們的物質密度可以和原子核的密度相比較。它們由引力聚集在一起。這樣的恆星引起了兩個基本問題：一個涉及物質中引力和其他相互作用力之間的關係；另一個涉及到那種較高密度甚至更高密度的物質的狀態方程。但在我進入討論這些問題之前，我還想提一下，甚至在有了大加速器的時代，宇宙線研究對粒子物理學的很重要的問題也有幾個很有價值的貢獻。 宇宙輻射的粒子具有高達10 19 電子伏的能量，顯然這樣高的能量是加速器所不能達到的，至少在最近的將來是不可能達到的。因此，對於這樣極高能量的粒子的碰撞只能在宇宙輻射中加以研究。即使低的強度和很少的統計資料不利幹得到準確的結果，但還是提出了這樣的問題：簇射的截面和其他特性在極高能量範圍內應當怎樣隨能量而變化？在遠遠超過普通粒子和共振態的能量的地方，是否有一個漸近區，在那裡不會發現或預料不會出現比較驚人的新事件或比較劇烈的變化嗎，從宇宙輻射所得到的關於這個問題的信息不過是一個模糊的提示，但它還是刺激了理論研究，這種研究在二十多年前導致了這樣的推測：任何強子的整個碰撞截面在高能時應當隨能量的對數的平方而增加。因此應當有一個漸近區，但是在這個區域中，整個截面不應當是常數，它們應當按照對數的比例而增加。這種推測已在最近用歐洲原子核研究中心的儲存環和用巴達維亞加速器所做的實驗中得到證實。漸近區域似乎在系統的質量中心從100億電子伏數量級的能量開始，在歐洲原子核研究中心的儲存環中已得到500億電子伏質子-質子碰撞。巴達維亞加速器的主要貢獻是得到這樣的結果：對於π子或K子和質子的碰撞也可以觀察到對數增加。這對於有一般的漸近區的假設是一個強有力的有利論據，而且這種漸近區在這些實驗中已經達到了。為了理解這種漸近區，把粒子描述為連續物質的近乎球狀的雲就足夠了，而絲毫不用涉及組成這些雲的粒子本身。這是可以令人滿意的，因為「組成」一詞在粒子物理中通常已失去它的意義。 近十年來，另一個問題占據了粒子物理學家的思想。我們知道SU 3 群在粒子譜中起著一種近似對稱性的作用。SU 3 的最簡單表示是三維的，因此人們可以期望對應於這種表示應該有三個粒子組成的三重態；這些粒子的電荷是基本電荷的1／3或2／3，它們的名稱叫「夸克」。可是，這樣的粒子在用大加速器做的實驗中從未觀察到過。因此，人們設想，夸克也許相當重，它們由很大的結合能結合在一起，所以現有的加速器還不足以把它們分開。在這一點上，宇宙輻射又顯得很有用了，因為宇宙輻射的原始射線的能量可以比大加速器的最大粒子能量大幾千倍甚至更多倍。甚至在宇宙輻射中也沒有發現過夸克這一事實，是不存在夸克的一個很有力的論據。如果這樣的結果是最終的結果，在我看來，對於「質子由三個夸克組成」這種說法很難給予任何確定的意義，因為不論是「組成」一詞或「夸克」一詞都沒有確定的意義。那末這樣的一個句子怎麼能夠解釋呢，對於其他一些預言過但未發現的粒子，W介子、部分子、膠子、磁單極子、粲粒子，同樣的懷疑也是正確的。如果它們不論是在大加速器中或是在宇宙輻射中都不能被觀測到，那就難以證明它們在現象論描述中是適宜的概念。這裡我們所遇到的狀況是量子力學中早已熟悉了的。我們的日常語言引導我們問一些毫無意義的問題。例如，「電子繞原子核運動的軌道是怎麼樣的？」由於測不準關係，不論「軌道」一詞或者「運動」一詞，都得不到明確的定義，因此這個問題沒有意義。 這把我引導到一個和宇宙輻射中的經驗緊密聯繫的中心問題。但在我討論問題的經驗方面之前，我想先說明一下它在粒子物理學和一般物理學中的基本重要性。 從近幾十年來的實驗，我們知道，不同的粒子正是成體系的物的不同定態。它們用量子數表示其特徵，或者，如果你願意，也可以用它們在基本群下的變換性質來表示其特徵。粒子物理學的理論上的理解只能意味著對粒子譜的一種理解。鐵的光譜中單獨一條譜線是無法理解的，但是整個光譜卻是可以理解的，它可以歸結為一個包括26個電子和這個鐵原子核的系統的薛定諤方程。 光譜的理論解釋的基本要親是眾所周知的，並且從經典物理學和量子力學都可以學到。我們可以設想一條弦的彈性振動，或者在一個空腔中的電磁振動，或者一個原子的定態，譬如說鐵原子的定態。在所有這些例子中，我們首先需要一個關於系統的動力學性質的準確陳述，然後我們必須加上特殊的邊界條件。在弦的例子中，弦的彈性和動力學性質的精確的數學表述是第一步；然後，通過陳述弦在哪裡固定，我們就可以算出振動譜。關於空腔中的電磁振動，麥克斯韋方程確定了系統的動力學性質。邊界條件由空腔的形狀給定。由於問題的複雜性，常常不能準確地計算整個譜。但對於最低的一些振動，人們應當能夠得到合適的近似結果。關於鐵原子，它的動力學性質是由量子力學來規定的，那就是由薛定諤方程來規定。加上波函數必須在無窮遠處等於零這樣一個補充條件，這些定態就確定了。如果原子被封閉在一個很小的盒子中，這些定態就會不同。 從這些類比出發，很清楚，理解粒子譜系的首要條件是物質的動力學的精確的數學表述。顯然，粒子這個詞不應當進入這個表述。因為粒子是後來由成體系的物的動力學結合上邊界條件來定義的；粒子是次級結構。在宇宙中，在我們的周圍粒子譜無疑地可以不同於很稠密的中子星的內部，因為在這兩個場合中邊界條件是不同的。因此可以看出物質動力學的基本重要性，問題在於我們怎樣才能掌握它的數學表述。 既然粒子概念在這裡沒有什麼用處，動力學定律的群性質必定起決定性作用。譬如說，振動弦的動力學定律對於時間的移動和沿弦的位置移動是不變的，對於繞弦旋轉也是不變的。由於邊界條件，第二個不變性被破壞了，第三個不變性通常不被破壞。至於空腔中的電磁振動，對於整個洛倫茲群，動力學定律是不變的：這個不變性只是部分地被邊界條件破壞。 對於物質的動力學，已經知道一些主要的不變性：洛倫茲群和同位旋群SU 2 。標度群可能也應該算在基本的不變性中。但我不想深入探討動力學定律的這些對稱性的細節。我寧願回到宇宙輻射上來。宇宙輻射研究，或者更一般的天體物理學研究，怎樣能對我們關於物質的動力學知識作出貢獻呢， 首先談一談因果性。我們從色散關係知道，物質的相互作用遵循因果律。這句話的嚴格的數學表述或許還不完全知道，但我們有可靠的理由認為相互作用可以表述為局部的相互作用，比如就象在量子電動力學中那樣。非局部的庫倫力同這句話是相容的。從這樣一種狀況出發，說極高密度物質的研究應該給出關於這種局部相互作用的最直接的信息，從而也給出關於物質的動力學的最直接的信息，這似乎是合理的。 在中子星中，密度和原子核是同一個數量級。在這樣的密度時，說原子核由若干核子組成還是有意義的。因為以小量的能量——與一個原子核的靜止質量相比是小的——就足以把一個質子或一個中子從原子核中打出。核子在原子核中相互距離仍然很遠，即它們的相互作用能量比它們的靜止質量小。這在中子星中同樣正確，因此有可能對這樣的星體物質的狀態方程作出估計。可是，如果密度還顯著提高，例如在更大質量的恆星中由於引力收縮，那末恆星由什麼粒子組成的問題就沒有確定的意義了。提供給一個粒子的空間將小於它的正常大小，因此它不可能具有它的正常質量；相互作用是如此強烈，以致粒子通常不在它們的質量殼層上。換句話說，人們只能說所有粒子的一種混合物，而這時說它是連續物質則更為合理。正是這種連續物質的動力學行為是粒子物理學中的基本問題。 如果不僅能夠得到關於中子星中的狀態方程的更多信息，而且特別是還能得到關於更高密度恆星中的狀態方程的更多信息，那末這對於理解物質的動力學行為就會是極端重要的。究竟是宇宙輻射中的觀測還是天體物理學的更廣闊領域的觀測會更有用處，對此我不能作出判斷。我只想強調這個問題的重要性。 宇宙輻射中還有另一個特殊領域，在這個領域裡關於物質的動力學這個問題可以從一個完全不同的方面來著手處理。如果兩個極高能的粒子相碰撞，那末，在碰撞的最初的瞬間，就會有一個物質密度極大的小盤，然後它發生爆炸，並且隨著它的密度的減小，最後蛻變為許多粒子。這就是眾所周知的粒子的多重產生的過程，碰撞的粒子的能量愈高，這種過程當然就愈有意義。如果原始宇宙線粒子有10 7 億電子伏，那末在碰撞中，開始時的盤的密度可以比中子星中的密度大一千倍。 由此可見，這種極高能量的宇宙線簇射行為的研究會給出關於物質動力學的很有價值的信息。這方面令人感到鼓舞的是，在歐洲原子核研究中心的儲存環中和在巴達維亞加速器中，人們似乎已經到達漸近區，或者至少已接近漸近區。對於這個區域中碰撞的初始階段，初級粒子可以簡單地形象化為連續物質雲，其密度在表面按照指數的比例而下降。這個模型解釋了總截面作為能量增加的函數是對數增加的。我還要指出兩類實驗的特徵性的差別，一類是在極密的恆星上，另一類是在很高能粒子碰撞後的盤上。在第一種場合，引力起重要作用，在第二種場合，引力是不重要的。因此這兩類實驗能夠給出兩種不同類型的有關信息。 在結束時我要回到我報告開始時提到的一般問題，我或許應當說，宇宙輻射在整個物理學領域中的特殊作用是基於兩類事實的。這種宇宙輻射含有最小尺度物質行為的信息，而且也對我們關於宇宙——最大尺度的世界——結構的知識作出了貢獻。這兩個極端都是不可能直接觀測到的，它們只能用很間接的推理來考查。在這裡，日常生活的概念必須代之以別的相當抽象的新概念。只有這樣，我們才會懂得象「極端」或「無限遠」這類詞在涉及自然界時能夠有什麼意義。在這個意義上，宇宙輻射仍可以（不管實驗形式有什麼變化〕稱為一門很浪漫的、很鼓舞人心的科學。 [譯自西德《自然科學》（Die Naturwissenschaften） 1976年2月號，許良英校]