第九回 举世称奇 爱因斯坦发现相对论全球瞩目 原子物理引出核武器

爱因斯坦提出相对论时，仅 26 岁。“物理危机”被解除。玻尔的原子的结构理论将原子研究推向一个新台阶。1945 年，美国投到广岛的原子弹炸死20 多万人，受难者总数这 40 万人。美国和前苏联进行核竞争。

且说 19 世纪末，物理学面临着两大危机，一是迈克逊—莫雷的否定“以太”存在的实验，前文已有所述；另一个是有关热辐射现象的理论解释的困难。

所谓热辐射，就是一个物体温度升高时，向四周发射热量，随着温度升高，物体的颜色就由暗红变成橙红，直至白炽。此时它放射的热量越来越多， 说明物体温度越来越高，热辐射也就越强烈。温度越高，光谱中最强的辐射的频率越高。

在通常温度下，一般物体都不能发射可见光，这时它的颜色就决定于外界的光的照射。当物体温度升高时，它们便自动发光了。

不同物体，在同样温度下比较，发现它们发光的强度和颜色也不同，即一定温度的炽热物体发射的连续辐射从强度到分布都各不相同，依赖于它们的组成材料。

由于生产发展和社会的需要，许多物理学家都致力于热辐射问题的研究。

1860 年德国物理学家基尔霍夫（1824—1887）通过实验得出如下结论： 不论物体种类如何，它的辐射本领和吸收本领之比都是相同的，仅是温度和频率（波长）的函数，而与物体材料无关。这就是基尔霍夫定律。

1879 年德国物理学家斯忒藩（1835—1893）比较许多实验结果后发现： 热辐射的总能量与绝对温度的四次方成正比。他的学生玻尔兹曼从理论上导出了它，现在称之为斯忒藩—玻尔兹曼定律。

1893 年维恩（1864—1928）把热力学理论与多普勒效应结合起来得到绝对黑体的各种波长的辐射中，强度最大的辐射波长λm 与黑体的绝对温度 T 之间存在着简单的关系：

λmT=常数

这就是维恩位移定律。

1895 年德国物理学家卢默尔（1860—1925）和维恩都提出了空腔辐射和黑体辐射等同的推理。

他们设想，空腔的一个壁上有一个小孔，小孔的面积与腔壁表面相比很小，从外面射到小孔上的所有射线几乎进入空腔中，并因在腔壁各个面上的多次反射而成为封闭状态，所以这种有小孔的空腔类似于黑体。

卢默尔与另一位实验物理学家普林斯海姆利用空腔辐射来研究黑体辐射的性质。

他们所做的实验是验证斯忒藩—玻尔兹曼定律。辐射能量是用辐射热量计来测定，在测量计中，将需要测量其能量的辐射线投射到涂黑的铂金丝上， 铂金丝吸收辐射之后，温度升高，因而电阻增大，电阻的变化是用与另一根铂金丝电阻进行比较确定的。通过实验，他们验证斯忒藩—玻尔兹曼定律是正确的。

为了探求能量密度与波长具体函数形式，维恩根据斯忒藩—玻尔兹曼定律、位移定律及麦克斯韦速度分布律，并借助于一些特殊的假设，导出了一个分布律，这就是维恩辐射定律（也称分布律）。

1897 年卢默尔与普林斯海姆对空腔的能量分布的测量，发现维恩辐射定律在波长较短、温度较低时才与实验结果相符合，而在长波区域则系统地低于实验值，具有很大的偏差。

1900 年英国物理学家瑞利（1842—1919）和金斯（1877—1946）假定空腔内的电磁辐射形成一切可能驻波，根据经典统计物理的能均分定理，推导了后来称为的瑞利—金斯定律。

此公式同样在长波范围内与实验相符，但在短波范围内却很不一致。而且随着频率的增大而单调地增大，在高频部分出现无穷大。

因此无论是维恩辐射定律还是瑞利—金斯定律，它们都无法解释黑体辐射的情形。而这两个定律是按经典力学与经典电动力学推导的，现在由卢默尔等人作的空腔辐射实验所测得的辐射能量分布曲线引起的“反常”现象， 暴露了经典理论的严重缺陷，看来对经典理论的修正已势在必行。

19 世纪的物理学家认为光是波动的，光是借助一种媒质传播的，这种媒质被称为“以太”。人们认为“以太”充满宇宙，是人无法感觉到但它能传递光、电、磁、力的球形无重物质。

后来，胡克、惠更斯、牛顿都假设以太存在来解释一些自然现象。19 世纪，随着光的波动理论和电磁理论的胜利，以太就成为物理学家研究的目标。

人们在想：“既然以太是存在的，是绝对静止的，那么运动的地球一定会与绝对静止的以太产生一个相对运动，自然这个相对运动是可以测量的。”在讨论这个问题中，迈克尔逊与莫雷所做的试验成为人们推翻牛顿经典

时空观的起点。

1904 年，法国数学家、物理学家彭加勒（1854—1912）提出了电动力学的相对性原理，并根据观测记录认为物体运动的速度不可能超过光速。

彭加勒指出：物理危机是个吉兆，物理学将有大的突破。1904 年 9 月他很有远见地预言，必将产生一种全新的动力学。

且说 1905 年，美国物理学家爱因斯坦（1879—1955）在美国物理学家米切尔森和莫雷的实验启发下，提出了《狭义相对论》。

相对论主要是关于运动物质与时空关系的理论。相对论时空观的建立， 是人们对物理现象认识上的一个飞跃。相对论对于现代物理学的产生和发展，起到了极其重要的作用。在现在，相对论已成为物理学研究中最根本的基础理论。

狭义相对论，是在电动力学的发展中产生的，其主要内容包括四个方面： 第一，惯性参考系之间时空坐标的洛仑兹变换及其物理意义。这是相对

论时空观的集中反映，它的基本依据是相对性原理和光速不变原理。

第二，物理规律在任意惯性系中，可表现为相同的形式，即物理规律的协变性。

第三，电动力学的基本规律，即麦克斯韦方程组和洛化兹仑公式，表现为协变形式，从而使电动力学成为明显相对性的理论，可用来解决任意速度带电粒子与电磁场的相互作用问题。

第四，把力学基本规律推广为协变性的相对论力学，由此得到相对论的质能关系 E=mc²，这些关系是原子能应用的主要理论基础。

相对性原理是相对论的基本依据之一，要把一个参考系与另一个以不变速度相对于该参考系运动的参考系加以区别是不可能的，这便是惯性参考系。

也就是说，在惯性参考系中对于任何一个参考系所做的物理实验，都具有相同的结果。光速不变原理，则是假定光速与光源的运动无关。

据说爱因斯坦在写相对论论文时，完全不知彭加勒的工作，当时他只有25 岁，他发表论文的题目是《论运动物体的电动力学》。可见他是在电动力学基础上提出自己的相对论观点，否定了时间和空间是绝对的观点的。

如果说牛顿是以天体运动和物体运动的规律为基础提出了经典力学理论的话，那么爱因斯坦则是在新的力学与电磁学的基础上，提出了包括宏观与微观世界在内更为广泛范围的物体运动的规律。

把经典力学和经典电动力学作为物质低速运动特例，爱因斯坦的理论既适用于低速运动的物质，又适用于光速运动和接近光速运动的物质，从而达到牛顿以来一个新的理论高度，使科学界、思想界发生了一场革命。

爱因斯坦相对论在科学技术领域中产生十分深远的影响。如 1905 年 9 月，他根据相对性原理推导出物体能量与质量的关系式：E=mc²，即能量等于 质量与光速平方的乘积。

这个公式表明，微小的物质可释放出巨大能量（一克物质相当于 2.5×

10⁷ 度电能），这不仅在理论上把物理学上质量与能量守恒的两个定律统一起来，而且揭示了人类可以从原子核内获得巨大能量的前景。

1916 年爱因斯坦又把“狭义相对论”扩展到“广义相对论”。如果说， 狭义相对论是在互相以相等速度运动的坐标系内的物理法则，那么广义相对论就是把这一理论扩展到能适应有加速度的更为广泛的范围。

广义相对论，是相对论的引力理论。它的基本依据是：引力场和惯性场的等效性原理和广义相对性原理。引力理论必须研究非欧几里得空间，即研究不能引入惯性坐标系的空间。

广义相对论所建立的引力场理论指出，万有引力的产生是由于物质的存在和一定的分布状况，使时间、空间性质变得不均匀（即时空弯曲）所致。广义相对论的结论有：水星近日点的进动规律、光线在引力场中发生弯

曲、较强的引力场中的钟较慢等。这些结论都被后来的实验所证实。

1905 年，是爱因斯坦的超人才华大放异彩的一年，那时他仅有 26 岁。

这一年他发表了三篇论文，且又在 3 月、5 月和 6 月相继发表。

除狭义相对论以外另两篇是：第一篇论文是关于光的产生和转化的一个启发性观点，发现了光量子并解释了光电效应；第二篇论文是关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动，再一次证实了原子真实存在的布朗运动理论。

狭义相对论是现代物理学不可缺少的基础原理，而广义相对论在本世纪20 年代应用到天体物理上取得了光辉成就。相对论不仅是物理学的基础概念和法则，也丰富了哲学的基本内容。

1903 年 3 月，年仅 26 岁的爱因斯坦发表了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。这是他在这一年里连续发表的三篇历史性论文的第一篇。这篇论文，正如他本人所说的是“非常革命的”。

他提出，应把光看成具有能量 e=hv 的能量子的集合，并把这种光的能量子称为“光量子”，即后来被称为“光子”。爱因斯坦的光量子论，把能量

不连续的量子化特征从辐射的发射和吸收推广到了传播过程。他还用光量子论，成功地解释了荧光、光电离，特别是光电效应等过去经典物理学难以解释的现象。

所谓光电效应就是电子在光的作用下，从金属表面发射出来的现象。1887 年，赫兹发现了光电效应。他在研究电磁波发射与接收的实验中，

利用一调谐电路中的火花间隙来产生电磁波，同时又应用另一检测电磁波的类似电路。

无意中，他发现当使发生火花的间隙产生的光与接收间隙隔绝时，则接收间隙必须缩短，才能使它发生火花！任何其他火花的光射到间隙的端点， 都能使间隙之间发生火花。

赫兹进一步研究后，得出结论，这一现象中起作用的是光的紫外部分，当光射到间隙的负板时，作用最强，显然紫外光照射负电板，更易于放电。他当时无法解释这一现象，只是如实地作了记述，在 1887 年发表的题为

《论紫外光对放电现象的效应》一文中，首次描述了这些现象。

赫兹本人没有再做下去，但这一发现却吸引了许多人去作这方面的研究。1889 年，海华兹做了一系列实验，实验结果表明起作用的确是紫外光。俄国的物理学家斯托列托夫对光电效应也进行过研究，并取得了重要成

果。他发现，为了产生光电流，光必须被电极吸收；光电流的大小与入射光的强度成正比；光电流实际上是在照射开始立即产生，无需时间上的积累。在光电效应的研究上起过重要作用的是德国物理学家、赫兹的助手勒纳

德。他在 1889 年就开始做一些简单的光电效应实验。

开始他设想光电效应是阴极射线引起的，但 1894 年他的实验证明这一想法不符合事实。

1899 年，汤姆逊用磁偏转切断电流的方法，测定出电流的荷质比，肯定

光电流与阴极射线部是同一类带电粒子组成，勒纳德随即于 1990 年也用磁偏转法测定光电流的荷质比得到了同样的结果。

同时，他还做了一系列实验，从实验中寻找光电效应的基本规律。实验如下：当光入射到清洁的金属表面，就有电子发射出来，若有些电子射到阴极上，外电路上就有电流通过。阳极相对于阴极的电势可正可负，以使到达阳极的电子数增加或减少。

勒纳德还创造了一种实验方法：用加反向电压的办法来测电子的最大速度，从而得到反向电压与入射光强无关，即电子离开金属极板的最大速度与光强无关。

这一结论与经典理论显然相矛盾。按经典理论，当光束强度增大时，作用在电子上的力也增大，因此电子的功能也应增大；而且按照经典理论，光是一种电磁波，因而光的能量是连续的，当照射光不太强时，只要有足够长的时间照射，电子也可以积累到为逸出金属表面所必需消耗的能量。

但实验事实却不然，要么电子不能逸出金属表面，不管照射多久；要么一经照射，就立刻有电子从金属表面逸出，根本不需要延迟时间（至多需 10^-9 秒的数量级）。

光电效应使经典电磁理论陷入困境，给物理学晴朗天空又增加了一朵乌云。正在这个时候，理论物理学家普朗克发表了能量子的假设，成功地解决了黑体辐射问题。

爱因斯坦对普朗克的能量子假设进行了研究后，把量子论彻底贯彻到整

个辐射场和吸收过程中去，提出了崭新的光量子假设，从而解决了光电效应问题。

爱因斯坦认为，在光传播所经过的空间里，光的能量并不是均匀分布的， 而是由个数有限的局限于空间各点的能量子所组成。

按照这种新观点，光照射到金属板，就把它的全部的能量传递给某一电子，每一份量子的能量为 hv，h 是普朗克常数，V 是光的频率。光源不同， 光的频率就不同。

爱因斯坦还提出，当光照射到金属板后，应该满足能量守恒方程，即光电方程。电子吸收了光子能量后，如果这一份能量大于束缚能，则可以从金属表面逸出；反之，则无法从金属表面逸出。

爱因斯坦的光量子假设和光电方程完全能够解释光电效应中的各种现象，但并没有得到人们的承认。

由于经典电磁理论的传统观念，深深地束缚了人们的思想；另一方面也是由于这个假设并未得到全面验证，人们对这种观念持反对态度。

从 1907 年起就不断有人从事这方面的工作，其中主要困难是接触电位差的存在和金属表面氧化膜的影响。

直到 1916 年由密立根的精确实验才完全证实了爱因斯坦的光电方程。回过头来，再谈一下爱因斯坦广义相对论的建立过程。

在狭义相对论创立之后，在大多数物理学家还对它深表怀疑的时候，爱因斯坦又向建立广义相对论的目标进军了。

1907 年，他在论文《关于相对论原理和由此得出的结论》中，提出了能否将只适用于惯性系的相对性原理推广到非惯性系即加速运动的参照系的问题。

在探索加速运动的过程中，爱因斯坦抓住了一个已经习以为常而谁也没有特别注意的事实，在“力学里两个物体的质量之比有两种不同的定义方式： 第一种，作为同一推力给它们加速度的反比，第二种，作为同一引力场里作用在它们上面的力的比。定义下得这样不同的两种质量相等，是经过高度准确的实验所肯定的事实，而经典力学对于这种相等没有提供解释。但是显然只有在将这两个数值上的相等化为两种概念在真实性质上的相等之后，才能在科学上充分证实我们规定这样数值上的相等是合理的”。

爱因斯坦认为，解决这一问题的实际途径就是把相对性原理推广到加速运动的参照系。

从这里，爱因斯坦着手建立引力理论。在别人帮助下，他找到了曲面几何和张量分析作数学工具。到 1916 年，爱因斯坦发表论文《广义相对论的基础》，提出任何坐标都是协变的引力方程，建立起了一套完整的广义相对论理论。

爱因斯坦在德国完成广义相对论之时，正值第一次世界大战，可是英国的爱丁顿（1882—1944）在大战期间通过荷兰得到了爱因斯坦论文，给他以极大重视。

战争刚一结束，爱丁顿打算等待 1919 年 5 月 29 日的日全食，用来检验爱因斯坦的理论。

1915 年，爱因斯坦根据已经完成的广义相对论重新论证了由引力场引起

的光线弯曲，计算出在太阳附近的弯曲是 1.75 秒。

爱丁顿组织了两个观测队，分别前往巴西北部的索布拉尔市和西非几内

亚湾的葡萄牙领地普林西比岛，拍摄了日全食时在太阳周围看到的恒星照片。

爱丁顿把这些照片和半年后的夜晚拍摄的天空同一位置的照片进行细致的对照，结果得出结论，确认了爱因斯坦预言的光线弯曲。

这个结论于 1919 年 11 月 6 日在皇家学会发表了，新闻界在报道这一消息时称“科学的革命，牛顿的见解被推翻了”。

以此为转机，相对论的名字迅速地传播到全世界。这样一来，引起了世界性的大反响，甚至在哲学家中间，从这时起也争相讨论相对论对于认识论的意义。

广义相对论扩展了狭义相对论的结果。按广义相对论，物理规律对于以任何形式运动的观察者来说都是一样的；物质存在的空间不是平直的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间；某一区域空间弯曲的曲率决定于该区域的物质质量及其分布状况；在引力场中的一切运动都在时空中走短程线；光线的路程要弯曲，时空的走时要变慢。

爱因斯坦曾提出可供验证广义的相对论的三个现象，不久就得到了实践的证明。其一是，爱因斯坦指出，水星近日点的进动包含着广义相对论的效应，用广义相对论计算比用牛顿力学计算，这种进动每年应多 43 秒。其二是，

1915 年爱因斯坦按广义相对论计算出从太阳边缘通过的光线要发生 1.7 秒的偏转。其三是，爱因斯坦根据广义相对论引力论预言，在强力场中因时钟要走慢，所以从大质量星球表面射到地球上的光的谱线将向红端移动。

事实上，自 1859 年发现水星近日点的进动以来，恰巧有每百年 43 秒的

进动是用牛顿力学无法解释的。1919 年 5 月 29 日日全食的观察已应验了第二种现象。

1925 年，美国天文学家亚当斯观测到了天狼星伴星发出光线的引力频

移，到 1965 年用穆斯堡尔效应测得更准确的相对频移值，同相对论的理论预测值误差不到 1/100 秒，这也应验了第三种现象。

粒子物理学是研究比原子更深层次的微观粒子内部结构及其转化规律的科学。由于研究这些微观粒子之时，往往需要用很高能量的粒子作“炮弹” 去轰击“靶”粒子，所以又叫高能物理学，它是当代的一门前沿科学。

到 20 世纪 20 年代，人们只知道的微观粒子只有电子、质子、中子和光

子 4 种，以为这些粒子是物质微粒结构的最小单元，称为“基本粒子”。

50 年代，对π介子研究十分盛行，于是在电子、粒子、中子、质子、中微子和其他基本粒子相互转化以及它们之间的作用力等问题方面的研究取得了许多成果。

随着实验技术和理论研究水平的提高，人们便发现基本粒子为数甚多， 至今已知的即达 400 多种。所谓基本粒子已不是最基本的了。

在基本粒子发现史中，早期发现的一些粒子，常是首先由理论所预言后经实验所证实的。正电子、中微子和介子等，都是这样发现的，还有其他粒子等待去发现。

正电子的发现第一次证明了反粒子的存在，它显示了自然界的一种基本对称性。由此，又启发人们到微观世界中去寻找新大陆——反物质。

正电子的发现和电子不同，它是先有理论预言，然后得到实验证实的。电子发现以后，物理学家们就在思考一个问题：质子与电子所带电量相

等，符号相反，然而二者质量相差甚大，那么在自然界中有没有与电子质量

相同而电荷相反的粒子呢？

1928 年，英国物理学家、量子力学创始人之一狄拉克把量子力学的薛定锷方程推广到相对论领域而得到相对论量子力学，他把这种力学用于描述微观粒子，粒子以接近光速的速度运动时，则又服从相对论力学，因此，对于描述高速运动的微观粒子的运动规律，则需要用相对论量子力学。

狄拉克理论的许多结果都与实验相符合，但是它却遇到了一个特殊的“负能困难”。

按照秋拉克方程进行计算的结果，竟允许存在电子的能量为负值的状态，而且负能级没有下限。这样一来，任何一个电子都可以无止境地落入这个无底的负能深渊，从而无限地释放出能量。

这个结论显然与事实不符，为了解决这个困难，他又提出了一个假设， 他认为所有电子的负能级事先已被大量的电子占满，所以正能级上的电子就无法再向下跳；而且还必须假设整个填满了负能的“电子海”所造成的总效果为零，即整个“电子海”所有可观察量——电荷、质量、动量均为零，也就是平时所说的“真空”。

由此可推论出将负“电子海”中搬走一个电子，显然相当于出现一个“反电子”。当然“反电子”的性质与电子相反，电子电荷为负，反电子的电荷就应为正，因此称为正电子，记为 e^+。

这样狄拉克在 1930 年从理论上预言了自然界中存在正电子。他还提出正、负电子对能够由电子在真空中产生出来；当正电子和负电子碰撞时，就覆灭变成光子。

正电子虽然有了理论预言，但在实验上还未发现。当时物理界与现在不同，它不轻易承认新粒子存在。当时带正电荷的粒子只有质子，所以有人就认为，狄拉克方程中所出现的带正电的粒子很可能就是质子，不然为什么在实验上没有发现呢？

时隔不久，狄拉克的预言被实验证实了。那是美国物理学家安德森在研究宇宙射线在磁场的偏转情况时发现的。

1930 年，安德森在密立根教授指导下研究宇宙射线，他采用了威尔逊首创的一种设计极端巧妙的云雾室，他能捕获带电粒子留下的“蛛丝马迹”。实验中，安德森让宇宙线中的粒子通过云室中的强磁场，并用快速的方

法拍下粒子的径迹照片。然后根据径迹的长度、粗细、曲率半径以及磁场的强度、方向等数据来判断粒子的带电性质、质量等。

安德森从摄得的照片中看出，当粒子从下向上穿过铅板并在云室中受阻，速度减慢，损耗了动量，轨道曲率增大，从它的运动轨迹与磁场方向可判断它是带正电荷的粒子。

那么它是否可能是质子呢？不可能，因为一个有足够动量穿过铅板的质子轨迹，在云室的磁场中是不可能显示出可见的曲率的；相反，要是它的轨迹是弯曲的，它就没有足够的动量去穿透这层铅板。

因此，仔细分析照片后，不得不作出这样的结论：这是一种电量与电子相等，符号相反的正电子。

第二年，安德森用γ射线轰击方法产生了正电子，从而从实验上完全证实了正电子的存在，这样狄拉克所预言的正电子被实验证实了。

正电子的发现，引起了人们极大的兴趣。很快就查明，正电子不仅存在于宇宙射线之中，而且某些有放射性核参加的核反应过程中，也可以找到正

电子径迹。

实验还发现，正电子总是与普通电子成对地产生。它们所带的电荷相反， 因而在磁场中总是弯向相反方向，明显地呈现出一对半径相同，但取向相反的图。此外电子对覆灭成光子的说法也得了实验证实。

电子对的产生和覆灭现象的发现，促使人们不得不重新考虑究竟什么是基本粒子问题。

本来“基本粒子”意味着这些微粒是构成物质最基本的、不可再分的单元，像电子这样的基本粒子既不能产生，也不会消灭，但现在发现在适当的条件下，正、负电子可以成对的产生或覆灭，也就是说可以互相转化。

物质的各种形态可以互相转变，这在认识上是个巨大的飞跃。在这以后， 又发现了更多的反粒子。

在正电子发现 23 年之后，美国科学家钱伯林等人发现了反质子，次年塞格雷等人又发现了反中子。此后人们还发现了一系列的反粒子。

1965 年，美国科学家莱德曼等人在实验室中用反质子和反中子合成了反氘核。1971 年，苏联科学家利用高能加速器，在极短的一瞬间产生了一种反氦原子核。

这些都为反物质的存在提供了证据，使人们有理由去进一步设想反原子、反物质、反天体、反宇宙的存在。

泡利认为在β衰变过程中，不仅放出电子，还有一部分能量被一种未能探测到的新粒子带走了。

这各种新粒子质量极小而不带电荷。物理学家费米称这种粒子为“中微子”，并于 1934 年提出了β衰变理论，认为β衰变是中子转变为质子、电子和中微子的过程。

同样，质子也能转变成为中子、正电子和中微子，这就是发射正电子的β衰变。由于中微子物质作用极弱，探测非常困难，多少年来对于它是否真的存在仍有疑问。

1956 年美国物理学家莱因斯和柯恩等人利用大型反应堆经过 3 年努力， 才终于直接探测到反中微子。1962 年，美国布鲁克海文国立实验室的科学家们又发现了另一种中微子，1968 年，他们又探测到来自太阳的中徽子。

我们知道，原子核是由质子和中子所组成，然而是什么力量把它们紧紧结合在一起呢？这种完全不同于万有引力和电磁力的新的结合力又是什么呢？

德国物理学家海森伯（1901—1976）于 1932 年提出“交换力”的概念， 认为质子与中子之间核力是由于它们不断相互交换电子而引起的。

日本物理学家汤川秀树（1907—1981）发展了海森伯的交换力思想，他于 1934 年提出了介子场理论，设想存在一种传递核力的媒介粒子，并推断出

它的重量约为电子的 200 倍，介于电子和质子之间，故称为介子。

质子和中子就是通过交换分子而紧密结合在一起的。汤川秀树的介子理论开始并未引起人们的注意。

1936 年，安德孙和尼德耶尔在宇宙线中发现了一种质量约为电子质量的

207 倍的带电粒子，人们以为它就是汤川秀树所说的介子，汤川秀树的理论开始受到人们的重视。可是后来发现这种粒子与核力无关，汤川秀树的预言又落空了。

直到 1947 年，英国物理学家鲍威耳利用照相乳胶技术，在宇宙线中终于

找到了汤川秀树预言的粒子，它的质量是电子的 273 倍，称为“π介子”。汤川秀树的理论和介子的发现，揭示了自然界中物质间的一种新的相互

作用——核子间相互作用的存在，这种相互作用力比万有引力大 40 个数量级，但它只在十万亿分之一厘米内起作用。

这种强相互作用，还有后来知道的β衰变中与中微子有关的“弱相互作用”，与早先知道的引力相互作用、电磁相互作用，构成了自然界中四种最基本的相互作用的形式。

到 1947 年，人们知道的基本粒子已有电子、光子、质子、中子、中微子和π介子等，它们当中的多数，都是由理论首先预言的。到此为止，人们以为基本粒子世界的主要角色已经齐全。

但是，从 1947 年开始，随着探测和实验技术的提高，又有许多新粒子出乎意料地被相继发现了。

这些粒子，可按质量大小分为两组：一组比核子（如质子、中子）重、称为超子；另一组介于核子和介子之间，称为重介子。

这些粒子都有一种奇特的性质，就是产生得快，衰变得慢。人们设想它们是在强相互作用过程中产生的，而衰变量通过弱相互作用进行，两者时间相差 13 个数量级。由于这种特性令人难解，因此人们便把这些粒子统称为奇异粒子。

上述大多数基本粒子，都是从宇宙射线中发现的。宇宙线虽然是很好的天然的“高能实验室”，但它也有很大的局限性：发现的机会少，难以重复。

为此，科学家们研制了人工控制的大型加速器探测仪器。借助这些实验工具，费米等人在 20 世纪 50 年代初，首先发现了π介子的共振态粒子。

从 60 年代起，一大批寿命极短的共振态粒子被相继发现，使人们意识到共振态是基本粒子所共有的，它们的寿命极短，大约在 10^-24 至 10^-23 秒之间， 可以看作是一些通过强相互作用而衰变的不稳定粒子。

目前已被发现的共振态约二三百种，它们是基本粒子的主要组成部分。随着基本粒子数量不断增多，物理学开始了对基本粒子性质和结构的理

论研究。基本粒子可按其质量、寿命等性质，分为轻子（如电子、中微子等）， 重子（如质子、中子等），介子（如π介子、K 介子等），以及相互作用的传递子（如光子、预言的胶子、引力子等）。由于重子和介子都参与强相互作用，所以它们又统称为强子。

基本粒子如此众多，它们之间又相互转化，使人们对其是否具有内部结构和继续可分的问题进行了更深的探索。近 30 年的发展以及大量实验事实可证明，至少强子是有内部结构的。

1930 年，德布罗意就提出光子可能是正反中微子复合体的想法，1949 年，费米和杨振宁提出了π介子是由正反核子组成的费米—杨振宁模型。

奇异粒子发现后，日本物理学家坂田昌一从物质可分的无限性思想出发，于 1956 年提出了强相互作用的复合模型，认为强子都是由质子、中子、超子及其反粒子构成的。

坂田昌一模型不仅解释了介子、重子的一些性质，而且成功地预言了中性介子的存在。1964 年，美国物理学家盖尔曼在建立强子的周期表后提出了夸克模型。

夸克模型认为：介子由一对正反夸克组成，重子由 3 个夸克组成。夸克有 3 种：上夸克 u、下夸克 d 和奇异夸克 s，均带有分数电荷。

1965 年至 1966 年，我国物理学家们提出层子模型，认为强子是由更深一层次的粒子——层子所组成。

1977 年，美国的斯坦福大学曾宣布他们在实验中得到了分数电荷，证明了自由夸克的存在。但是，这一实验结果还有争议，因为无第二人做过。

基本粒子之所以能够相互转化，是由于在它们之间存在着各种相互作用。物理学家们相信，存在着支配整个物理世界的统一规律，于是又致力于研究目前已知的自然界中四种相互作用的统一。

粒子物理学的发展必须有强大的高能加速器的支持。最早的直线型加速器于 1932 年建成，同年还制成了回旋加速器。直线加速器能把质子加速到 7

×10⁵ 电子伏，在历史上第一次用人工加速粒子成功地实现了分裂锂原子核的核反应。

经过改进，1946 年美国加利福尼亚大学建成的稳相加速器使质子能量达200 兆电子伏，用它第一次产生了π介子。

1954 年，加利福尼亚大学又建成了同步加速器，可把质子加速到 6.4 京电子伏，用它第一次产生了质子和反质子对。

半个世纪来，加速器和粒子物理学相互促进，同步发展，加速器的能量提高了 6 个数量级（由 10⁶ 电子伏提高到 10¹² 电子伏），加速器直径由不足 1

米发展到 2.2 公里。

和加速器平行发展的还有用于记录和测量各种粒子的设备——探测器， 它也是粒子物理学不可缺少的实验工具。

探测器一般分为径迹探测器和计数器两大类。1912 年，英国物理学家威尔逊根据带电粒子经过饱和气体产生液珠径迹的原理建成了威尔逊云室。

在计数器方面，1928 年发明了盖革—弥勒计数管。1944 年，有了光电倍加管，产生了闪烁计数器。1949 年又出现了半导体探测器。从发展趋势看， 计数器已突破单纯计数的局限性，还能精确地描绘出粒子的径迹，出现了取代径迹探测器的可能性。

1. 世纪末有两大发现，一是放射性同位素，一是电子。20 世纪初，人们又进一步发现原子核。

从 1925 至 1928 年，人们不断发现描述电子、原子等微观世界的物理规律，确立了量子力学。这时候，物理学的主流沿着原子结构和基本粒子两个方向发展着。

原子结构与太阳系相仿，中间带正电的核占原子重量的 99.9％，其体积只有整个原子空间的十万分之一。原子核到底是由什么组成的，它的结构如何，原子核打碎以后，元素的转化规律又是怎样的等问题的研究就构成核物理这门新学科。

前面我们已介绍过，1905 年爱因斯坦在狭义相对论中提出了一个质能关系式：E=mc²，即能量等于质量乘以光速的平方，在理论上已预言了从微观粒 子开发新的强大能源的可能性。

1919 年，卢瑟福就用α粒子从氮原子核中打出原子，首次实现了人工原子核反应，这是原子核反应研究的开始。

1. 世纪 20 年代英国物理学家阿斯顿通过计算论证了重核裂变和轻核聚变都将释放出巨大能量。30 年代居里等人用α粒子轰击原子核引起原子蜕变后人们更看到了这种可能性。

直到量子力学和原子结构的研究告一段落后的 1928 年，人们才开始以量

子力学为武器研究原子核。最初取得成绩的是美籍俄国人伽莫夫，他于 1928 年应用量子力学解释原子核的α衰变现象，并取得了成功。

1932 年，英国人查德威克在人工核反应的研究实验过程中发现了与质子质量相同的不带电的中子，从而确认：原子核是由中子和质子组成的。在查德威克发现中子以后，核物理有了迅速发展。

1934 年，费密开始用中子进行轰击原子核试验，很快发现并不需要很大的能量中子即可击破原子核，而且慢中子比快中了的击中率还高，这对原子能的开发是决定性的一步。

由于发现了中子，就容易实现核反应。因此从 1933 年开始，核反应的研究有相当快的发展。1935 年，丹麦人波尔提出核反应的复合核模型理论，成为当时核反应的中心理论。

1938 年下半年从柏林传出一个引人注目的新闻：德国科学家哈恩和史特拉斯曼用中子轰击重元素铀时发现生成的物质中有放射性钡同位素。

元素钡的出现暗示这样一个问题，就是中子并不是从铀的原子核中除去少数粒子，而是把它分裂为两个，而且发生裂变之后的总重量比铀的原子核的总重量要小。

根据爱因斯坦的相对论理论可以得出结论，这是因为在裂变过程中放出大量能的缘故。但是，人们对于原子能作为动力来源并不乐观，如果将它用到战争上将可能是破坏力极大的武器。

也就是在人们热衷于研究原子能的时候美籍德国人贝蒂、美国人克里齐菲尔德、德国人韦次萨克等人在 1938 年几乎同时指出：太阳和一切恒星的光和热量是以氢为燃料的热核反应的结果。

在热核反应中碳是催化剂，氦是灰烬，即两个重氢原子核聚变成一个氦原子核时，放出巨大能量。而这种反应要比“裂变反应”放出的能量更大， 这种反应称为“聚变反应”。

在煤燃烧时，是碳原子与空气中氧原子通过化学反应结合而成二氧化碳，放出能量。但是原子核反应所释放出来的能量比化学反应释放的能量要高 100 万倍，即 1 克铀裂变所产生的热量相当 3 吨煤燃烧放出来的热量。而聚变反应又是裂变反应释放能量的几十倍。

从此，人们发现了比裂变反应更好的释放原子能原理，即氢弹的核聚变反应原理。氢弹为继原子弹之后的“第二代核武器”，中子弹为第二代核武器。从此，太阳不断发出光和热的谜也彻底揭开了。

我们再谈一下原子弹的制造过程。

1939 年，奥地利女科学家迈特纳和弗里什在波尔的试验室进行裂变反应实验，实验证明了这种可能。后来，费米在美国重复做了这个裂变实验。

1940 年，英国人认识到 U²³⁵ 同位素不仅用慢中子可以引起核裂变，快中子也可以。这样很少量的 U²³⁵ 就有可能引起连锁反应，发生异乎寻常的巨大爆炸，因此用这个原理制造原子弹将成为可能。

英国科学家们通过实验室实验，找到了大规模分离出比较纯的 U²³⁵ 的方法，这就使生产原子武器即将成为现实。

可以看出，要真正实现原子能的开发利用，就要解决裂变材料的来源、链式反应的控制等问题。

铀是当时已知的主要核裂变材料，但铀多与其他元素共生，含量比例小， 首先得提纯，而提纯技术又较难，英国已解决了铀的提纯问题，而美国直到

1940 时纯铀储备还不到 40 克。

为解决这一问题，美国成立了一个专门小组，用离子树脂交换法提炼纯铀成功，到 1942 年获得纯铀 2 吨，为解决核燃料来源开辟了道路。

但铀有两种同位素，一为 U²³⁵，另一为 U²³⁸，其中只有 U²³⁵ 能由慢中子引起裂变，而 U²³⁸ 则不能，因此还必须从铀元素中把 U²³⁵ 单独分离出来。

可是要把 U²³⁵ 与 U²³⁸ 分开并不容易，这是因为在天然铀中，U²³⁸ 占 99.3

％，U²³⁵ 仅占 0.7％，而且两者化学性质相同，很难用化学方法分离。1942 年，美国化学家尤里用一种物理方法——气体扩散法把这两种铀同位素分开。

为获得足够数量的可裂变物质，除了分离铀以外，还得另外找寻别的途径。美国科学家还发现，钚也可以在慢中子作用下发生裂变，从而发现了另一种新的裂变材料。

在当时，原子物理学的成果还是公开的，但对原子能技术怎样用到军事上都是绝密的。因此，要在几个月内了解到别的国家的进展情况是不可能的。

1941 年底，英国、美国的科学家从不同途径发现了制造原子弹是可能

的。有了这个判断以后，美国于 1941 年 12 月 7 日正式参加第二次世界大战， 且在英国的直接援助下，大规模地加紧进行 U²³⁵ 和钚的制备和研究。

法国的战争失败使法国科学家逃往英国、加拿大，失去了对原子武器的研究机会；苏联当时的研究十分保密，在柯查托夫的领导下开始了核裂变和气体扩散分离方法的探讨。

美国在奥本海默领导下组织了几千名科学家和几十万名工人，投入 20 多亿美元，进行原子弹的研究。

参加研究的有哥伦比亚大学、加里福尼亚大学等许多单位。当时为了尽快完成他们制定的曼哈顿计划，仅同位素分离就提出三种不同的办法。

原子反应堆是研制原子武器的核心部分，是曼哈顿计划的关键。这项工作的功劳除奥本海默以外，就是在美国的意大利人费米。

费米先后在哥伦比亚大学和芝加哥大学工作，到 1942 年 12 月 2 日他终

于研究成功世界上第一座原子反应堆，在华盛顿州亨福特还建立了 3 台大型钚原子反应堆，它成为提供原子弹原材料钚的主要基地。

1945 年 7 月 16 日在新墨西哥州试验的第一颗原子弹和轰炸日本广岛和长崎的两颗原子弹都是用这个基地提供的钚制造的，该反应堆还为以后建立更大规模的原子反应堆提供了大量数据。

美国在临近第二次世界大战结束时作出了对日作战使用原子弹的决定， 在没有使用原子弹以前，美国几十名物理学家联名向美国政府写了请愿书， 要求不要使用原子弹，但是美国政府没有听。

1945 年 8 月 6 日投到广岛的原子弹炸死 20 多万人，受难者总数达 40 万

人；8 月 9 日在长崎市投下了第二颗原子弹，又使 10 万多人丧生。

1946 年，美国颁布了“原子能法”。根据这个法律，只有政府有权制造任何一种原子武器。另外，美国成立的“原子能委员会”，是政府专门管理原子能事业的机构，它有权和企业订合同。

同年，前苏联为和美国对抗，开始了原子能研究。美国原子弹研究工作的组织领导者是奥本海默；苏联原子弹组织者是柯查托夫，他建立了苏联第一个原子核反应堆，并组织生产了苏联第一颗原子弹。

苏联最初的原子能反应堆是直径为 6 米的球体，所用的燃料是天然铀，

为了让中子反射，外侧用一米厚的石墨困住，控制连锁反应用的是镉棒。1946 年末建成的这个反应堆，他与 4 年前费米在美国芝加哥建成的反应

堆很相似。接着，苏联科学家 117 开始研制原子弹。1949 年 9 月，前苏联第

一颗原子弹爆炸成功，比美国晚了 4 年多。

前苏联原子弹爆炸成功对美国震动很大，因为美国从此失去了原子弹的垄断。于是，美国在 1949 年 11 月爆发了一场要不要生产氢弹的争论。

美籍匈牙利人、物理学家特勒主张研制氢弹，而原子弹的生产者奥本海默则坚决反对。以后奥本海默因阻止美国政府执行制造氢弹的政策而受到政治迫害。

1950 年元月，美国总统杜鲁门下令研制氢弹。由特勒负责，投资 10 多亿美元建设氢弹工厂。同时，原子能委员会决定延期进行原子能发电计划， 集中力量加紧进行核潜艇的研究，世界形势越发紧张。

在世界各国政府掀起反对使用核武器的时候，美国为了防止在核武器竞赛中落后而加紧进行氢弹的研制。1951 年 5 月美国制成了以原子弹为点火装置的氢弹，但没有立即试验。

1952 年 11 月 l 日在爱纽维特克首次进行了氢弹试验并获得成功。长 3

英里、宽 1 英里的一个小岛完全消失，这颗氢弹的爆炸威力相当于 12 兆吨的TNT 火药，相当于投到广岛的原子弹威力的 600 倍，氢弹就这样在反对核武器运动中诞生了。

1952 年 6 月 14 日美国第一艘核潜艇“鹦鹉螺号”下水了。接着，1953

年 5 月 25 日，装有核弹头的炮弹又发射成功。

前苏联为了与美国进行核竞争，1953 年 8 月在西伯利亚进行最初一次氢弹试验获得成功。1952 年 11 月，美国氢弹采用了液体重氢和三重氢的“湿式燃料”，但它不适宜在实战中使用。半年多后，前苏联采用“干式燃料”

（固体燃料）氢弹，体积和重量都比美国的小，很适合用于实战的需要。1954 年 3 月 1 日，美国在太平洋毕基尼岛也进行了“干式燃料”氢弹试

验，此氢弹的威力相当于 15 兆吨 TNT 火药，是投到广岛原子弹威力的 750 倍。

由于这个氢弹外侧覆盖一层 U²³⁸，外侧铀在爆炸时吸收中子而分裂成为放射性微尘“死灰”，它可以飞散到 200 公里以外危害人的生命。当时在远

离爆炸点 200 公里外有一艘日本渔船，船上 23 人全部受到放射性微尘污染的危害，日本本土上也降落了放射性微尘。

毕基尼岛试爆的氢弹是“超铀炸弹”，即经过核裂变→核聚变→核裂变三段核反应，所以也叫“三 F 炸弹”。

1955 年 7 月 18 日召开了一些国家的首脑会议，还召开了第一次世界和

平利用原子能会议。大家对核能发电展开了讨论，有人提出 20 年后实现核聚变发电的目标，引起世界各国注意，不少国家组织人力物力积极开展核聚变发电的研究。

苏美两国为解决原子能发电，首先研究解决了建立材料试验反应堆的问题。1954 年 6 月 27 日前苏联原子能发电站开始运转。

前苏联是最早利用原子能发电的国家，为了在政治上向美国展开攻势， 于 1955 年召开了原子能和平利用的国际会议。

1956 年 10 月 17 日，英国第一号原子能发电站也开始运转。电站功率为

10 万千瓦，英国决心用原子能代替煤来发电，开展了大规模建立原子能发电站的活动。

美国为了在经济上取得原子能工业的潜在市场和军事上的需要，与很多国家签定了提供核燃料的双边协定。

50 年代中期，美、苏、英三大强国都建立了原子能发电事业，原子能发电取得了很大进展。

原子能作为能源推广使用的速度是缓慢的，但是原子反应堆所提供的大量的放射性同位素是除原子能以外最重要的东西，在许多方面得到应用。

原子能和平利用另一个方面是原子能船。美苏在 50 年代末先后制成原子

能船。美国最初制成的原子能商船于 1957 年 7 月下水，可载客 60 人和 1 万吨货物。1959 年，苏联制成原子能破冰船，它可破碎 2 米多厚的冰并保持正常运行。

综上所述，从 19 世纪末至 20 世纪中叶，物理学又进行了第二次飞跃， 从放射性到粒子世界，从原子结构到原子能运用都得到了迅猛发展。欲知后事如何，且听下回分解。