我們是如何觀察這個(gè)世界的？ 我們?nèi)粘Ｖ兴煜さ摹肮狻逼鋵?shí)是由數(shù)十億、百萬兆計(jì)的一粒?！肮庾印彼M成。光子，就像所有其他的粒子，也有波的性質(zhì)?；谶@個(gè)特性，當(dāng)光子和其他物體相互作用的時(shí)候，光子會(huì)攜帶一定的信息。 舉個(gè)簡(jiǎn)單的粒子，試想一下在你的身后有一個(gè)燈泡，另外，有一個(gè)網(wǎng)球在你的面前。 光子從燈泡出發(fā)（來源），碰到網(wǎng)球彈回來（目標(biāo)），彈回來的光子到達(dá)你的眼睛（探測(cè)器），你就可以從光子來的方向猜測(cè)有一個(gè)圓形物體在你面前。此外，你可以由由不同光子的波長(zhǎng)分辨出這個(gè)物體是綠色和黃褐色的。 我們的大腦會(huì)分析這個(gè)信息，然后在腦中創(chuàng)造出了一個(gè)網(wǎng)球的概念。我們就是利用四處反彈的光波以獲得足夠的信息來觀察這個(gè)世界。其他的動(dòng)物，像海豚和蝙蝠，自身可以發(fā)出及探測(cè)聲波來判定位置等。事實(shí)上，任何一種反射波都可以用來獲取身邊事物的信息。 更上一層的顯微鏡 利用波來探知物理世界的問題是，你所得到的影像品質(zhì)會(huì)受限于你使用的波長(zhǎng)。 我們的眼睛看到的稱為“可見光”（下圖中放大的部分），其波長(zhǎng)在0.0000005米左右。通常來說，這已經(jīng)小到足以讓我們不去擔(dān)心波長(zhǎng)解析度的問題，因?yàn)槲覀儾豢磳?.0000005米的物體。 但是，可見光的波長(zhǎng)還是太寬了，以至于無法分析比細(xì)胞更小的物體。為了觀測(cè)高度放大的東西，你必須使用更小的波長(zhǎng)。這也就是當(dāng)科學(xué)家要研究亞微小東西（比如病毒）的時(shí)候，他們求助于掃描式電子顯微鏡的原因。但是，即使是最好的掃描式電子顯微鏡也只能顯示出朦朧模糊的原子的圖像。 一個(gè)洞穴的故事 假裝你很不幸地掉入一個(gè)洞穴，并且沒有手電筒。但是，你卻很幸運(yùn)的擁有一桶裝滿會(huì)發(fā)光的籃球。突然，你聽到帶有鼻音的聲音。難道！是一只嗜血的熊......或者只是你的朋友跟你開的一個(gè)玩笑？ 為了查明真相，你朝著聲音的方向丟去發(fā)光的籃球，并記住籃球擊中的地方。很快的你就得知未知生物的輪廓。 糟糕！由于籃球太大，所以當(dāng)它們從你身前的東西彈回時(shí)，對(duì)它的外形你所能夠知道的只是又寬又高（下圖左）。 幸運(yùn)的是，你也有一袋在黑暗中發(fā)亮的網(wǎng)球。你再次朝未知生物丟球。好吧，情況并沒有好到哪里。網(wǎng)球還是太大，無法準(zhǔn)確的描繪出未知生物的準(zhǔn)確形狀（下圖中）。 天無絕人之路，你還有一筐發(fā)亮的大理石，這回應(yīng)該沒問題了吧！的確，你現(xiàn)在已經(jīng)可以清楚的看到這只未知生物，那是，是.......一只熊（下圖右）！ 你唯一值得高興的只是，你使用了最小的大理石，知道了兇手是誰！ 前面所講故事的寓意是：
任何探子的撞擊只能告訴你在探子的直徑內(nèi)的某一個(gè)地方有一只熊。在這三種探子中，由于大理石的撞擊可以告訴我們?cè)谝粋€(gè)非常小區(qū)域內(nèi)熊的存在，所以它們是收集信息最有效的方法。我們說籃球的圖像很模糊，那時(shí)因?yàn)殛P(guān)于熊的真實(shí)情況有很大的不確定性。當(dāng)探子的尺寸越來越小，圖像也變得越為清晰，因?yàn)槟銓?duì)兇的外觀越加確定。一張圖片的清晰程度我們稱之為分辨率。 波長(zhǎng)和分辨率 具有長(zhǎng)波長(zhǎng)的東西就好像洞穴故事中的籃球，兩者皆不能提供太多有關(guān)它們撞擊物體的信息。而具有短波長(zhǎng)的東西就像故事中的大理石，可以提供你被撞擊物相當(dāng)詳細(xì)的信息。探子的波長(zhǎng)越短，你可以獲得越多有關(guān)被撞擊物的信息。 再舉個(gè)例子。如果你有個(gè)游泳池，池里的水波波長(zhǎng)為1米長(zhǎng)，然后把一根很細(xì)的木棍豎直插入游泳池，池里的水波只是通過木棍，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)一米的水波意味著它不會(huì)被如此小的物體所影響。 所有粒子都具有波的性質(zhì)。所以，當(dāng)我們使用粒子作為探子的時(shí)候，我們需要利用具有短波長(zhǎng)的粒子，這樣才能獲得小物體的詳細(xì)信息。一個(gè)粗略的使用規(guī)則，一個(gè)粒子最多只能探測(cè)到與其波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)木嚯x。要探測(cè)更小的尺度，必須要更短波長(zhǎng)的探子。 我們只是用了一個(gè)粗略的比喻詮釋了這個(gè)非常難的概念。更完整的解釋則不得不牽涉到數(shù)學(xué)，超出了要討論的范圍。 物理學(xué)家的工具：加速器 物理學(xué)家無法用光來探索亞原子結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)樂。但是，我們說過所有的粒子都具有波的性質(zhì)，所以物理學(xué)家可以利用粒子作為探子。為了看到最小的粒子，物理學(xué)家需要波長(zhǎng)盡可能小的粒子。但是，在自然界中大多數(shù)的粒子都具有相當(dāng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)。物理學(xué)家如何把粒子的波長(zhǎng)減少，使粒子可以成為探子呢？ 這里我們要記住一點(diǎn)：粒子的動(dòng)量和它的波長(zhǎng)成反比。 高能物理學(xué)家在使用粒子加速器增加粒子的動(dòng)量（減少波長(zhǎng)）的時(shí)候就是利用了該原則。 我們只需要以下幾個(gè)步驟：
波粒二象性 在波的性質(zhì)中，有一項(xiàng)是特別有趣的：當(dāng)兩個(gè)波彼此穿越，它們之間會(huì)相互疊加，該現(xiàn)象成為干涉。 試想一下，有一個(gè)光源被一面薄金屬擋住去路，但是金屬上有兩道狹縫。狹縫后的幾米內(nèi)有一個(gè)屏幕。屏幕上的任以給定點(diǎn)會(huì)有兩道波同時(shí)抵達(dá)（各來自不同狹縫）。這兩道光行經(jīng)的距離不同，所以它們互相干涉，產(chǎn)生干涉圖案。 如果你想在用的是粒子代替光源，結(jié)果是，你會(huì)記錄到類似的干涉圖案。這就意味著，所有的粒子都有波的性質(zhì)。 因?yàn)槲镔|(zhì)粒子具有波長(zhǎng)，而且可以互相干涉，所以我們所認(rèn)為的真實(shí)粒子，實(shí)際上也是波。是不是又不可思議卻又很迷人的一個(gè)概念？ 質(zhì)能轉(zhuǎn)換 物理學(xué)家經(jīng)常需要研究大質(zhì)量、不穩(wěn)定的粒子，但是這些粒子通常會(huì)以極快的速度衰變，比如頂夸克。然而，在日常生活中充滿的都是質(zhì)量非常輕的粒子，那物理學(xué)家如何得到大質(zhì)量的粒子？這里我們需要變個(gè)魔術(shù)，從質(zhì)量較輕的粒子中得到質(zhì)量重的粒子！偉大的物理魔術(shù)師愛因斯坦登場(chǎng)了，他說：質(zhì)量只是能量的一種形式！！1905年，他寫下了著名的方程： 現(xiàn)在很清楚了，一個(gè)物理學(xué)家想要從小質(zhì)量粒子中產(chǎn)生大質(zhì)量的粒子，他所要做的只是把小質(zhì)量的粒子放入加速器，給粒子很多的動(dòng)能然后把它們撞在一起。在這個(gè)碰撞的過程中，粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成新的大質(zhì)量粒子。經(jīng)由這種過程，物理學(xué)家可以創(chuàng)造出很多不穩(wěn)定的大質(zhì)量粒子，進(jìn)而研究它們的性質(zhì)。 很神奇對(duì)不對(duì)！ 好吧，我對(duì)加速器的描述過于簡(jiǎn)化了。明天我保證會(huì)詳細(xì)的介紹加速器是怎么運(yùn)作的！ |
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