主题：【原创】高能物理之历史 -- 一军
家园 【原创】高能物理之历史 从某一个角度上看到话，会发现我们人类身处这个宇宙的一个极端：
这个宇宙里面能量非常小的变化，对人类的生命自身具有极大的意义。所有的生命，特别是人类的大脑，都只能在极小的温度范围内，才能正常存活；而正是这极小的能量变化，在物质组成从分子到生物大分子、以至于细胞和生命体系的序列中，构造出整个宇宙最复杂的物质体系。
然后，当我们从自身存在所处的这个物理处境，一路采用越来越大的能量，往更大的能量变化的地域看过去，就看到了失去外层电子的离子，看到了原子核，看到了质子中子电子光子...同时，也看到了太阳系、黑洞、伽玛爆、银河系、本星系团、本超星系团、...一直到我们现在的物理学所能想象的能标极大处-普朗克能标，大概是10的19次方千兆电子伏特。
所以，从能量的意义上，人类自身的构造，其实处于宇宙的一个极端：能量变化极微而极精。
那么高能物理，就是人类使用或依靠越来越大的能量，撕裂出的宇宙景观。
这个系列，就是试图叙述迄今我们这个撕裂过程中的那些重要的事情。
1，X射线的实质
伦琴发现X射线时，距离麦克斯韦完整论述电磁场理论已经20多年了，但仍有相当一部分前沿物理学家，不仅是实验物理学家，并不是完全掌握了电磁场理论。
例如，伦琴、伟大的统计物理学家玻耳兹曼、FitzGerald、Lodge等人，都倾向于认为X射线是作为光的传播介质的以太的纵波。
伟大的洛仑兹也含糊不清，只有汤姆逊等少数人正确理解为作为横波的光。
x射线的发现纯属偶然，因为伦琴及其助手，只是在研究当时很流行的阴极射线，当然是受到赫兹及其学生勒纳的工作的吸引。当时他们所使用的鲁姆科夫感应线圈和西托夫真空管，只要一开机，就都已经在产生X射线。只是不幸的是，勒纳甚至也用上了荧光物质和发现了照相底片被曝光，但他却不知出于何种考虑，而使用了厚厚的铅材包裹真空管，而幸运的伦琴只是简单地用黑纸板！
2，贝克勒尔并非偶然的狗屎运
据贝克勒尔在1903年的回忆，他在伦琴于1896年1月1日公开其发现X射线的论文20天后，法国科学院针对此发现而召开的会议上，深受激励，他运用其实验家的思维方式，与会议的报告者彭加勒有大致如下的一段对话：
贝：伦琴的射线是从哪里发射出来的？
彭：真空管壁上的最亮的荧光点，应该就是X射线发射出来的源头。
贝：X射线是否来自荧光物质的照射激发？是不是其他荧光物质，只要被照射，就可以发出X射线呢？
贝的这个推测估计是和彭想到一起了，10天后彭写了篇文章，提出：是不是不管什么荧光，只要强度够高，就会产生X射线？
也有可能想到这点的，并不只是贝克勒尔一个人。很快，就有了很多人去找各种能够发荧光的物质做实验，试图发现X射线，甚至有人收集萤火虫。。。
贝克勒尔想到当然就动手！托祖上之福，他在采用某些磷光物质失败之后，马上选择了铀盐，因为从他祖父开始，就研究荧光现象，而他父亲恰好研究过铀盐，他自己在15年前就因此而制作了很好的铀盐片（磷酸铀铣钾）。
贝克勒尔的运气还不仅仅是这些。
他的第一次实验是仿照伦琴的思路，用太阳代替阴极射线，暴晒铀盐和被黑纸包裹的底片，结果不甚稀奇，底片被曝光了。
第二次实验，很不凑巧，巴黎连续阴了好些天，没有了太阳的暴晒，贝克勒尔可能是心不在焉，也可能是别的什么原因，总之是不可考了，他仍然拿出底片冲洗，很震惊的发现，没有太阳也一样！
于是，开启20世纪的原子核放射性就这样被发现了，看似纯属偶然，但，也是必然。
因为一切工具和材料，都已经是现成的了。
所以，尽管X射线和放射性，完全是牛马不相及的两回事，但是，为了研究甲，而突然发现乙，这样的戏剧性情节，在现代物理学史上，并非孤例！倒是很常见呵呵！
所以，尽管LHC马上要开机，大家都等着找到希格斯子，但内心也对发现点什么别的从未预计到的什么，也是有所期待的。
这其实是一种谦逊的美德。
more@ikosmos.name
关键词(Tags): #高能物理， 元宝推荐：晨枫,家园 大哥能否给我们这些外行人剖析一下中科大的量子传输？ 真的不需要传输介质就可以发送信息么？？
家园 对于这个 例如，伦琴、伟大的统计物理学家玻耳兹曼、FitzGerald、Lodge等人，都倾向于认为X射线是作为光的传播介质的以太的纵波。伟大的洛仑兹也含糊不清，只有汤姆逊等少数人正确理解为作为横波的光
我对高能物理所知甚少，不过仅从波的传播本质来说，理解X射线是纵波是一件很正常的事。因为从机械波的产生和传播来说，纵波是受拉压应力而产生的，而横波则是受切变应力而产生的，由于固体、液体和气体都能承受拉压应力，而只有固体能承受切变应力，液体和气体则不能，因此纵波可以在固体、液体和气体中传播，而横波则只能在固体中传播，不能在液体和气体中传播。X射线在固体、液体和气体中都能传播，因此，将X射线理解为一种纵波是很正常的事。
就个人所知道的知识，纵波和横波属于机械波概念的范畴，电磁波好像没有纵波和横波的区分。要讨论X射线是一种纵波还是横波，那么这个讨论的前提就是X射线是一种机械波，不过严格来说X射线应该不能够说是一种机械波，因为机械波的传播只有振动状态的传播，没有物质的传播，而X射线的传播则是有物质的传播的，但将X射线看做是电磁波也好像也不是能严格吻合电磁波的定义。所以，个人认为，对于普通人（不是专门研究这个方面的）来说，要很清楚地理解并解释清楚X射线是纵波还是横波是一件相当困难的事。不过就个人的观点认为，X射线是一种纵波。
个人的普通物理还算学过一点，不过也就是一大学普通物理和物理导论的水平，算扫过物理的盲吧，高能物理所知甚少，几乎没有学过，对于那帮原理的数学推导更是一向相当头疼，不然也不会数学物理方程这门课创造了读书生涯中的最低分记录，说得不对或者不合理之处还请指正。
- 复 对于这个
家园 如果你能够在写这个帖子之前 温习一下普物，就好了。
说实话，我真不知道你说的“个人的普通物理还算学过一点，不过也就是一大学普通物理和物理导论的水平”从何说起：）因为你帖子里面的错误太离谱了。。。
1，X射线是电磁波；
2，电磁波是横波，电磁波需要传播介质吗，有所谓物质的传播吗；
3，横波与纵波的定义是什么；
。。。
伦琴那些人之所以把X射线理解为以太的纵波，主要是因为还做不到抛弃以太，当然，只是到了爱因斯坦在1905年的文章，才彻底做到了消除以太的任何一点必要性，但爱因斯坦之前，怎么看待以太，正反映了不同人的物理直觉能力。
另外，我多年前写的一本普物书，可能过时，可能有错，不过对于建立清晰的物理概念，还是有帮助的，可供参考。
家园 谢谢指正和推荐 俺受教了
因为所学学科属于机械范畴，所以所用的普物教材里面关于电磁波没有怎么讲，倒是机械波讲的很多，以致于现在想想当时的普物课，头脑中第一印象就是各种振动状态方程和机械波的叠加与干涉。物理导论那门课则主要讲的是量子力学，不过俺一直对量子力学相当头疼，也就只记住了不确定性和薛定谔方程这两个名词。因此可以说，对于电磁波，俺就是一小白。并且由于这些年所学知识和所解决的问题都是关于机械波方面的，因此一看到“波”这个字，就不由自主地用机械波的理论去分析了，而没有注意到实际情况。
不过俺说的那个纵波和横波的定义，在机械波方面就是这样定义的。至于在电磁波方面怎样定义的，俺已经说了俺是一电磁波小白，那就不知道了。
最后再次表示感谢！
家园 【原创】高能物理之历史。3 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。
外链图片需谨慎，可能会被源头改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：
外链图片需谨慎，可能会被源头改相比盖斯勒，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。
关键词(Tags): #高能物理， 通宝推：胡丹青,