王貞虎

人們研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要方法是用一些高速運(yùn)動(dòng)的粒子作為“炮彈”去轟擊被研究的物質(zhì)，通過(guò)對(duì)相互作用過(guò)程的探測(cè)和分析來(lái)揭露它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及特點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，人類認(rèn)識(shí)微觀世界的歷史，就是實(shí)驗(yàn)手段發(fā)展的歷史，加速器則是一種十分重要的研究工具。

美國(guó)密執(zhí)安州立大學(xué)以亨利·佑盧塞為首的物理學(xué)家們利用超導(dǎo)回旋加速器成功地把“粒子炮彈”加速到光速的二分之一，他們認(rèn)為，這一進(jìn)展也許不久就能提供有關(guān)原子結(jié)構(gòu)甚至某些星體構(gòu)造的新信息。

據(jù)了解，回旋加速器是在一個(gè)扁平、中空的圓形真空盒內(nèi)，有兩個(gè)背靠背的D形盒，作為頻率達(dá)幾百萬(wàn)赫茲的高頻電源的電極。在兩個(gè)D形盒之間留有一條很狹的縫隙，接通高頻電源，狹縫中形成一個(gè)交變電場(chǎng)。而真空盒則放在巨大的電磁鐵兩極之間的強(qiáng)大磁場(chǎng)中，該磁場(chǎng)的方向垂直于D形盒的底面。作為“粒子炮彈”用的重原子的核子從真空盒中心的離子源發(fā)射出來(lái)，在狹縫處被電場(chǎng)力加速，進(jìn)入一個(gè)D形盒，盒內(nèi)由于電屏蔽效應(yīng)，電場(chǎng)很弱，粒子受到強(qiáng)大磁場(chǎng)的作用作圓周回旋運(yùn)動(dòng)，在完成半周運(yùn)動(dòng)后回到狹縫時(shí)，兩個(gè)D形盒上的極性正好變換，于是粒子再次受到加速進(jìn)入另一個(gè)D形盒。由于粒子經(jīng)過(guò)兩次加速，速率有了提高，所以圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑也增大。這樣經(jīng)過(guò)數(shù)十次往復(fù)循環(huán)，隨著粒子速度和能量的增大，軌道半徑也越來(lái)越大，因而粒子是作螺旋運(yùn)動(dòng)；直到最后旋到D形盒的邊緣，在那里用一個(gè)偏折電極將高速粒子引出，使之進(jìn)入一個(gè)60余米長(zhǎng)的真空管道，最終速率可近每秒十萬(wàn)公里。在真空管道的另一端是容有少量碳、鋅、金或其他元素的云室。當(dāng)這些元索的原子靶核受到粒子炮彈的撞擊后，就會(huì)產(chǎn)生新的粒子“碎片”，通過(guò)對(duì)這些“碎片”的研究測(cè)定，就能了解該靶核的結(jié)構(gòu)。這就好象先用炮彈把房子炸碎，再通過(guò)其碎片來(lái)了解房子是用什么材料建造的一樣。

這些被改進(jìn)的回旋加速器的磁體則是在一268℃的低溫下工作，其線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)，電阻極小，能獲得極大的電流，以產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)。又由于增加了第三個(gè)D形盒。進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)彈核的作用力，使得粒子炮彈的最終速率達(dá)到每秒十六萬(wàn)公里，這已經(jīng)越過(guò)了二分之一光速。

然而用這樣的高速?gòu)椇藖?lái)撞擊靶核，并沒(méi)有使靶核分解。甚至由于彈核擊中靶核的速度是如此之快，以致于靶核物質(zhì)還來(lái)不及以任何形式裂散就已經(jīng)被壓縮了。彈核就像穿過(guò)空氣的子彈一樣，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊波，這沖擊波摧毀了靶核原來(lái)的結(jié)構(gòu)。本來(lái)原子核在原子中也僅占據(jù)極其微小的一個(gè)空間，原子中大部分的空間卻是空空如也的，在高速?gòu)椇说拇驌粝?，原子?nèi)部的空間卻被大大地壓縮，使靶原子經(jīng)歷了一個(gè)塌縮過(guò)程。

科學(xué)家們認(rèn)為，利用這種現(xiàn)象將是十分有意義的。如果能夠充分地壓縮靶核物質(zhì)，就可能產(chǎn)生高密度的物質(zhì)。這樣，我們就可以模擬中子星內(nèi)部的狀態(tài)。我們知道，在中子星內(nèi)部壓力大得連原子也被壓碎，并使其中的電子與質(zhì)子結(jié)合生成中子物質(zhì)。倘若再進(jìn)一步壓縮，中子物質(zhì)就可能會(huì)被壓縮成密度更高的夸克物質(zhì)。

科學(xué)家相信，新的回旋加速器也許能夠產(chǎn)生類中子物質(zhì)，并最終會(huì)產(chǎn)生夸克物質(zhì)。這項(xiàng)工作的實(shí)際意義是明顯的，雖然有各種證據(jù)證明宇宙中有中子星高等密度星體的存在，但我們還無(wú)法攝取自然界中的中子超重物質(zhì)。如果我們能在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生中子物質(zhì)乃致夸克物質(zhì)的話，那就可以模擬高密度的星體，以便更好地進(jìn)行研究，這無(wú)疑會(huì)獲取大量有關(guān)超重物質(zhì)的信息，人類對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)將會(huì)大大加深。（編輯/起點(diǎn)）