主题：【原创】高能物理之历史 -- 一军

6.基本粒子就在我家里

卢瑟福是该上场了，但，在我讲述他眼花缭乱地玩弄阿尔法射线以探测原子内部结构之前，得花开又一枝，讲讲就住在我家里的基本粒子。

何谓基本粒子？就是我们不知道其内部结构的粒子。

一个乒乓球，如果你不知道它的内部结构，只知道外面看起来，是带色的，不是很重。。。那你也可以称呼它是基本粒子。

可惜的是，你还看到什么别的东西，是由乒乓球垒起来的吗？

没有？没有那就没意思了。

除了乒乓球，我们每个人的每天，都与至少两种基本粒子直接生活在一起，光子和电子。

你每天早晨睁开眼睛看到了新的一天，那就是光子射进你的眼睛，打到你的眼球视网膜上了...

然后你抓过手机，看到一条新短信，那就是光子射到你的手机，带动你的手机肚子里面的电子流动，连锁反应直到你看到短信显示在屏幕...

但是，你会说，我哪里看到了什么基本粒子，什么光子电子啊。。。

是的，你没“看到”。在我们的日常生活中，有无数的角色，都是我们直接看不到的，除非我们使用更高的能量，更精巧的技术，才能逼迫它们单独地闪亮现身于无比繁杂的存在之舞台，更主要的是，现身于你眼前！

先不说光子。

尽管光出现在我们日常生活当中的几乎每个地方，但人类自从学会使用火来烧烤牛排以来，就没有人敢于拿手指放到油灯上燃烧，那一点光，足以猝然终止你的手指上的一切生命活动，使得一切成为碳，成为灰！因此我们一出生就默认了，光，以及发光的物体，都涉及到“高能”的过程，这个所谓的高能，当然就是指相对我们自身生理活动的能量水平，例如你再发高热发高烧，都发不出火与可见光来。。。萤火虫？先不管。

确实，要迫使光线在我们眼前的表现像单个粒子，观念上，是一直到随后几十年里才逐渐被迫接受的观念；实验上呢，更是一直到20世纪后半世纪，人类发明激光之后，才能在实验室真正实现的实验。

历史上，最先被迫以粒子形式现身的，是电子。

7.关于电子的连续剧

照理说，电子要被我们认识到，应该是容易得多了，因为我们人体运行的基本机制，就是电子的流动。不对！是电荷的流动。

这就是问题之所在，在很长一段时间里，我们并不是必须要掌握电子的概念，也并不是非得要看到作为一种基本粒子的电子的存在，而只需要看到作为一种现象的电荷的存在，就足够轻松地理解主导我们日常现象的电磁现象了。所以，尽管从17、18世纪，人类就开始了具有科学意义上的对于电磁现象的研究，但一直到19世纪末年，汤姆逊总算是赶在20世纪来临之前夜，告诉大家，存在电子这么一种基本粒子。

为什么？因为能量。

人们最早获得单独电子束所使用的工具，是真空阴极射线管，而一根长30厘米，直径2.5厘米的玻璃管，内部真空度为0.01厘米汞柱气压，两端放入电极，要使得它放电产生单束电子流发射出来，至少得加上1千伏的电压！

1千伏对于今天的我们而言，似乎不算什么，窗外的高压电线动则几万几十万伏，家里的很快就要成旧式的电视里头，附着在显像管后头的高压包也能产生将近2万伏的高压，（呵呵，这个高压包提供的高压正是用来给电子加能量的！）但是对于19世纪的人们，可是一门高精尖技术。

真空阴极射线管要好用，也就是说，要能够放电发出辉光，需要两个条件，一个是得有给管子抽真空的技术，另一个就是给电极加高压的技术。

尽管17世纪就已经出现了抽真空的专门器具，但是直到德国波恩的一个吹玻璃的工人师傅盖斯勒（Geissler），发明了一种后来被称为盖斯勒泵的真空泵之后，才使得真空玻璃管的真空度达到0.1毫米汞柱。这种泵的核心原理和日常的水银温度计类似，巧妙地利用了水银在玻璃管里能够形成很好的真空的特性，反复稀释和抽走容器里面的空气。看得出，这是一个典型的能工巧匠的设计成果。

Heinrich Geiler，Heinrich Geissler，Geissler pump，盖斯勒，盖斯勒泵

要给电极加上1千伏的电压，正好，德国的高级技师鲁姆科夫发明了这样一种能够输出1千伏的变压器：

相比盖斯勒，鲁姆科夫应该算更高级些的技师，呵呵，如果按照技术复杂度来衡量的话。

鲁姆科夫变压器技术上的特点这里就不赘述了，其详细介绍见这里：H.D.Ruhmkorff，感应线圈，鲁姆科夫线圈

技术工人与发明家在科学史中所起的作用，是另一个有趣的话题，这里就先不叉开谈了。

鲁姆科夫变压器对于整个二十世纪都是意义非凡的，因为赫兹用它验证了电磁波；伦琴用它发现了X射线；马可尼用它发明了无线电报；汤姆逊用它发现了电子，等等等等，这种变压器，是当时世界上所有做电磁实验的物理实验室的必备关键设备，只有用它获得的高压，才能使得我们在20世纪进入电力世纪以及信息世纪。

当然，现在学电磁学的人可能会对它不屑一顾，因为它就是一个依靠反向开关来产生脉动直流，从而感应出高压交流的小变压器而已。

只能这么说，没有麦克斯韦，再堆积一百个鲁姆科夫也没用；有了麦克斯韦，20世纪就是命中注定的了。尽管赫兹、伦琴、马可尼并没有完全掌握麦克斯韦理论，但，有一个理论在前面指出会有什么，就不是一堆技师在黑暗中摸索所可比的了。

好了，器材准备好了，电子在哪里？

实际上，对于电磁学来说，电子并不是一个必需的概念，有了电荷的概念就足够了。因此，电子的概念，不是来自电磁学理论，而只能是来自实验的发现。

法拉第就是这么看的。

他所发现的电解定律，应该说，是电子留给人类的第一个华丽背影，但是，你也可以认为那是离子的大头照。

所以，法拉第在总结他的电解研究时说，“尽管我们不知道原子到底是什么，我们不一定要顽固使用小粒子之类的观念，那只是我们的想象。...有大量的事实表明，电力现象与物质的原子概念紧密关联，原子的许多惊人特性源于电力，例如化学亲和力就是一种电力。...我必须承认，我在说到原子这个词汇时，是非常小心的，因为尽管可以轻松地说这个原子那个原子，但，实际上要对原子的概念形成一个清晰的理解，非常之困难，当你所谈论的物质是化合物时，尤其困难。”

（Faraday, Experimental researches in electricity, #852,#869）

你看，法拉第对于原子的概念都还是非常犹豫和审慎的，因为他是一个彻底的实验家，他只对实验里面获得证实的概念才有十足的把握。

8.插播广告！

连续剧时间太长容易造成疲劳，所以插播一个激情广告。

拿一张白纸，你可以随意地涂画你所认为的世界是啥之想法。但是，要获得承认，你必须逮着你所描绘的疑犯，不然局里不会给你发工资。

假设，从此刻2008年9月11日下午3点28分开始，全世界所有的人都停止探索世界到底是个啥的问题，停止一切关于世界本原的实验和一切相关理论活动，高能啊宇宙啊物理研究机构都即刻解散。然后，我们依然可以活下去，估计可以活很长时间。。。

所以，原则上我们只有两个选择：或者什么也不干，或者通过思考来逮着疑犯。欧洲粒子实验室主任当初拟定LHC的规划时，就是面临这样一个选择，或者赋闲，或者造个大大的LHC，逮住希格斯粒子或者别的什么。

那么，为什么我们总是选择后者呢？

因为这样一个事实：即使我们可以画地为牢，使得我们让自己生活在一个可以把握的世界范围里面，但，那个牢其实只是存在于我们内心：它既不能保障我们面对未知世界的安全，也不能保障我们面对自我的幸福感。宇宙是宽广的，我们没法把自己的止步之处，虚妄地看作是世界之边缘。

所以，本质上不存在玻尔所谓的经典世界，世界是唯一而无需被隔断的，能否走出自己所画的牢房，只在于我们是否忍受鸵鸟姿态。

得插一句。

迄今为止，这个系列里面我所使用的概念都是不精确的，因为科学的发展从来不是必须基于完全精确的概念，总是一边走一边弄得清楚点。正如前面已经说过的，19～20世纪之交的时候，连原子的概念都是不清楚的，因为没人知道原子是否还有内部结构。

那么关于电子，汤姆逊知道些什么呢？考虑到直到今天，我们都还在等待LHC告诉我们电子的质量是怎么来的，所以，别指望汤姆逊所理解的电子与你的理解一样。

在我们动手抓电子之前，最好是先听一句惠勒唠叨了无数次的口头禅，“No elementary phenomenon is a phenomenon until it is a registered（observed）phenomenon。”这句话的言外之意太多，我试着勉强翻译一下：基本事件只有被你抓住，才可以说是一个现象。

这句话如果用粗糙的形式说出来，没有人会注意，因为太一般了，简直就是常识嘛！其实不然。

如果，我们同时观看到自己所处的日常世界，与构成这个日常世界的可能性微观世界，囧，这会是一种什么样的局势呢？大家自己想象好了...

在这样一个局势下，可以期望，我们的日常世界可以作为一个背景板，而在这个背景板上，有可能捕捉到来来往往的重重身影，它们正是来自微尺度世界粒子的行动剧舞台，被投射到我们的感知背景板之上。

在20世纪之前的化学和电磁学里面，就有很多的这类身影。