物理世界奇遇记15：参观原子粉碎机（中上）

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1、物理世界奇遇记15：参观原子粉碎机（中上）　　　　　　“让我这样来解释吧，”她补充说，“有一次，有个研究小组宣布他们有个重大的发现。他们发现了一种带负电的新粒子，并且把它叫做X－粒子。这种粒子是在下面的反应中发现的：　　　　p++n0—→p++p++n0+X－　　那么，它的B值有多大呢？”　　　　经过一番匆促的数学运算，学生们开始小声他说：“等于－1。”　　　　“对了，反应式左边的总B值是＋2，而右边有两个质子和一个中子，它们给出的B值是B＝＋3。这样，为了使两边的B值平衡，X－粒子就必须有B＝－1。好了，我们已经‘利用’这个反应找到了B值的意义了。这就是所谓‘胡扯’的

2、贡献。”她说，眼睛故意朝汤普金斯先生那个方向望去。“目前那些研究者进一步宣布说，X－粒子在产生之后，便直接参加下面的反应：　　　　X－+p+—→p++p++π－+π－　　你们喜欢这种说法吗？“　　　　学生们机械地点点头。但是，在一阵悄悄的交谈之后，有几个学生开始试着摇头了。　　　　“怎么回事？”汉森博士询问他们，“你们不相信他们得出的结果是正确的吗？”　　　　经过进一步的讨论，然后有个学生解释说，如果X－粒子的B值确实像他们先前所断定的那样等于－1，那么，在这个新反应的前后，总B值是不平衡的，那就是说，这个反应根本不可能是已经实现的。　　　　“说得好！十分正确。他们确实

3、是在骗人！实际上，X－粒子所参加的是下面的反应：　　　　X－+p+—→π－+π－+π++π++π0　　　　这就平衡了，你们可以查得出来的。好的，这就是说，你们已经利用重子数这个概念作出了一个预测——预测出反应是不可能发生的。这也就是重子数这个概念的威力。”　　　　她转向汤普金斯先生问道，“满意了吗，现在？”　　　　他露着牙笑了，并且点头表示同意。　　　　“事实上，”她继续说下去，“X－粒子就是反质子，通常用P－表示它。反质子的质量与质子相同，但电荷和B值与质子相反。反应是质子和反质子彼此湮没的一种典型方式。　　　　“好了。现在我们要得出另一个概念。让我们来试一试下面的反

4、应——它是永远不会发生的：　　　　K++n0≠→π++Λ0　　　　如果你们检查一下反应式两边电荷和重子数的总数，就会发现二边正好符合。但是，我已经说过，这个反应是永远不会发生的。你们为什么认为事情可能就是这样呢？”　　　　“是牵涉到另外一种性质吗？”慕德提出她的看法。　　　　“是的，你说得对。我们把它叫做奇异数，并用字母S来表示它。K+的S＝＋1；P+，n0，π－，π0和π+都是S＝0；而Λ0和K－则是S＝－1。　　　　“请大家注意，普通的物质——质子和中子——都没有奇异数。因此，要想产生带有奇异数的粒子，就必须一下子同时产生两个粒子：一个带有S＝＋1，另一个带有S＝－

5、1和所表示的那样）。这样，它们的S组合相加起来正好等于原来的零。在第一次发现这种新粒子的事例时——当时还不知道S，也不知道S必须守恒，由于这种粒子总是彼此联系在一起成对地产生，人们觉得这种方式很古怪，或者说很奇异，所以便有了‘奇异’这个名称。如果我没有记错的话，我想在你们的小册子里就有一张粒子成对产生事件的照片，你们可能也想看看它。总而言之，自从发现了奇异数以来，人们又认证出一些别的性质：粲数，顶数和底数。一个成对产生的事件　　　　“这就是说，我们发现在这些碰撞中出现的每一个粒子都带有特定的一组标签。举例来说，质子带有正电荷，即Q＝＋1；B＝＋1，S＝0，而它的粲数、顶

6、数和底数统统等于零。　　　　“不过，你们肯定会这样想，这一切都非常美妙，但是它同寻找质子和中子的结构又有什么关系呢？我先前已经说过，我们可以通过考察质子的近亲去发现它是由什么构成的。正是在这个阶段，我们被卷入到一些侦探工作中去。这里的基本想法是：我们要把具有某些共同性质的粒子收集在一起，然后根据它们在另外两个性质上所具有的值把它们排列起来。这两个性质，一个是我们刚刚谈过的S，另一个叫做同位旋，用符号L表示。这个名称出自表示‘同等地位’的名词‘同位’，因为事实上某些粒子是彼此极其相似的：它们具有相同的强相互作用和几乎完全相同的质量，以致人们倾向于把它们看做是同一种粒子的不

7、同表现形式。例如。质子和中子就被看成同一种粒子——核子——的两种形式，其中的一种形式具有电荷Q＝＋1，另一种形式则有Q＝0。至于谈到同位旋，它们分别具有Iz＝＋1／2和Iz＝－1／2／2＝1／2，这又意味着质子的Iz是Iz＝1－＝＋1／2，而中子则是Iz＝0－1／2＝－1／2。　　　　“好了，正像我刚才说过的，现在我们要把一些带有某些共同性质的粒子收集在一起，并按照它们各自特有的S值和Iz进行排列，比方说，就像这样做……”　　　　汉森博士在图板上勾画出一个粒子阵列的草图。完整的六角形　　　　“这是我们所得到的一种图形：由8个都具有B＝＋1