“小宇宙”和“大宇宙”

人類對(duì)兩個(gè)極限尺度的物質(zhì)世界—“小宇宙”和“大宇宙”—不斷認(rèn)識(shí)的歷史是人類文明發(fā)展史的重要組成部分。作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“小宇宙”，兩千多年前就有了古希臘哲學(xué)家德謨克里特（Demokritos）（左圖）的樸素原子論。德謨克利特等根據(jù)有關(guān)各種自然現(xiàn)象的思辯性的考慮，提出了原子論的想法試圖以之來闡明宇宙見形形色色的自然現(xiàn)象。他們認(rèn)為：宇宙間存在一種或多種微小的實(shí)體，叫做“原子”（現(xiàn)在歐洲各國文字中的“原子”都來源于希臘文“ａｔｏｍｏｓ”，是“不可分割”的意思），這些原子在虛空中運(yùn)動(dòng)著，并可以按照各種不同的方式互相結(jié)合或重新分散。雖然在這種意義上的原子論遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是人們今天所了解的嚴(yán)密的科學(xué)理論，但它與現(xiàn)代科學(xué)的結(jié)論比較吻合。

原子學(xué)說的早期論點(diǎn)也見諸于中國的史書。我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期偉大的思想家墨翟（右圖）在《墨經(jīng)》的《經(jīng)下》篇中就曾經(jīng)提出過：“端，體之無厚，而最前者也”。端是物的起始，把物體分割到“無厚”，便達(dá)到最前的質(zhì)點(diǎn)。就是說：物體可以兩半兩半地分下去，如果剖到“無”，就不能再剖下去了。

（墨翟（人稱墨子）是墨學(xué)的創(chuàng)始人和《墨經(jīng)》一書的主要作者。墨子學(xué)派在某些方面和稍晚的希臘學(xué)者亞里士多德很相似。他們都曾嘗試把形式邏輯學(xué)用于數(shù)學(xué)。如果說亞里士多德是西方邏輯形式系統(tǒng)的創(chuàng)造者的話，那么墨家學(xué)派則是東方邏輯學(xué)的奠基人。）

近百年來，人類的認(rèn)識(shí)逐漸達(dá)到原子、原子核、核子、夸克這幾個(gè)層次，對(duì)其觀測(cè)的尺度已從10^-8到10^-15厘米。作為人類周圍星體世界的大宇宙，從太陽系、銀河系、直到河外系，人們觀測(cè)的尺度已大到6×10⁷光年距離。在地球上觀察到宇宙中存在高能基本粒子，也包括能量范圍極寬的電磁輻射光子，其能量由10^-4電子伏特（宇宙背景輻射）到10²⁰電子伏特的硬γ射線，而可見光光子只在大約1.6-3.2電子伏特的很小的一段范圍內(nèi)。宇宙本身已逐步成為研究粒子物理的實(shí)驗(yàn)室。人類對(duì)無限小和無限大世界的研究也已經(jīng)逐步有機(jī)地結(jié)合起來。

粒子探測(cè)器的發(fā)展史　 

高能物理實(shí)驗(yàn)研究需要粒子加速器和探測(cè)器及其它設(shè)備。加速器將微小帶電粒子加速到非常高的能量，速度接近光速，然后打到固定的靶上或彼此對(duì)撞，以研究物質(zhì)深層次的結(jié)構(gòu)。探測(cè)器用來探測(cè)碰撞產(chǎn)生的微小粒子，記錄各種信息，如粒子徑跡、衰變產(chǎn)物、飛行時(shí)間、粒子動(dòng)量、能量、質(zhì)量等。粒子探測(cè)器的發(fā)展史正是人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)不斷深化和實(shí)驗(yàn)同理論不斷相互促進(jìn)的歷史。

1590年和1609年先后出現(xiàn)的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡使人們得以在兩個(gè)尺度方面超出了肉眼范圍，它們正是人類首先使用的可見光探測(cè)器，它們開始使人類對(duì)“小宇宙”和大宇宙的探索逐步走上現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的軌道。

1895年德國物理學(xué)家倫琴（Wilhelm Konrad Rontgen，1854～1923）（左圖）在無可見光條件下發(fā)現(xiàn)膠片感光從而發(fā)現(xiàn)X射線和1896年法國物理學(xué)家貝克勒爾（AntoineHenri Becquerel,1852—1908）（右圖）由鉀鈾硫酸鹽使感光片變黑的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了β射線可以作為粒子探測(cè)器歷史的開端。

1911年英籍新西蘭物理學(xué)家盧瑟福（Ernest Rutherford,1871～1937）（左圖）借助顯微鏡觀察到單個(gè)α粒子在硫化鋅上引起發(fā)光。這正是閃爍計(jì)數(shù)器的雛形。1919年他用類似的熒光屏探測(cè)器第一次觀察到用α粒子轟擊氮產(chǎn)生氧和質(zhì)子的人工核反應(yīng)，由此核物理迅速發(fā)展起來。

核物理和宇宙線的發(fā)展反過來又帶動(dòng)了各種探測(cè)器的發(fā)展。本世紀(jì)二十年代到六十年代出現(xiàn)了核乳膠，云霧室，火花室，流光室等徑跡探測(cè)器以及電離室，正比與蓋格計(jì)數(shù)管和閃爍計(jì)數(shù)器等電子學(xué)探測(cè)器。新粒子的發(fā)現(xiàn)往往借助于當(dāng)時(shí)的新型探測(cè)器，例如1932年和1936年用云霧室先后發(fā)現(xiàn)了正電子和μ介子，1939年用電離室發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象，1954年用氣泡室發(fā)現(xiàn)Σ⁰超子，1961年用火花室發(fā)現(xiàn)μ中微子等。值得提出的是以我國科學(xué)家為主于20世紀(jì)50年代利用氣泡室發(fā)現(xiàn)了反Σ^-超子。

20世紀(jì)50年代以來，由于研究進(jìn)入核子夸克層次，要求轟擊粒子的能量更高，這時(shí)期逐漸從原子核物理發(fā)展出高能物理(粒子物理)，它也包括不用加速器的宇宙線物理。利用高能量和高粒子束流強(qiáng)度的加速器（或?qū)ψ矙C(jī)），粒子物理（也稱高能物理）實(shí)驗(yàn)要求快速地記錄愈來愈復(fù)雜的高事例率事例。由于徑跡探測(cè)器記錄事例速度慢且后處理需要大量人工，例如用云霧室記錄一次需要幾分鐘，而電子學(xué)探測(cè)器如有機(jī)閃爍體計(jì)數(shù)器單粒子計(jì)數(shù)率可高達(dá)10⁹次/秒，這樣，在粒子發(fā)現(xiàn)史上起過重要作用的徑跡探測(cè)器就逐漸讓位于電子學(xué)探測(cè)器。

60年代末至80年代初，同多路電子學(xué)配合使用的多絲正比室、漂移室、多種電磁和強(qiáng)子量能器和標(biāo)準(zhǔn)快電子學(xué)插件NIM系統(tǒng)及CAMAC總線系統(tǒng)迅速發(fā)展起來。加以電子學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)獲取和事例重建和顯示的速度大大提高，出現(xiàn)了各種用于固定靶和對(duì)撞機(jī)的大型綜合多粒子譜儀及非加速器宇宙線實(shí)驗(yàn)的大型電子學(xué)探測(cè)器陣列。許多新粒子和新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)都是利用它們得到的。例如，1974年發(fā)現(xiàn)的J/ψ粒子和1976年發(fā)現(xiàn)的τ粒子以及1983年發(fā)現(xiàn)的中間玻色子W和Z⁰等。

這些年來在這一領(lǐng)域有多位科學(xué)家獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，有力地說明了粒子探測(cè)器對(duì)科學(xué)發(fā)展所起的重要作用以及理論的發(fā)展基于實(shí)驗(yàn)這一基本觀點(diǎn)。

高能所科技處制作  資料來自“粒子探測(cè)器與數(shù)據(jù)獲取”、三思、百科、人民教育出版社、戰(zhàn)略家網(wǎng)站、中國輻射防護(hù)網(wǎng)、鄭志鵬報(bào)告“大型磁譜儀簡(jiǎn)介”等