“小宇宙”和“大宇宙”

人類對兩個極限尺度的物質(zhì)世界—“小宇宙”和“大宇宙”—不斷認識的歷史是人類文明發(fā)展史的重要組成部分。作為物質(zhì)結構的“小宇宙”，兩千多年前就有了古希臘哲學家德謨克里特（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。他們認為：宇宙間存在一種或多種微小的實體，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動著，并可以按照各種不同的方式互相結合或重新分散。雖然在這種意義上的原子論遠遠不是人們今天所了解的嚴密的科學理論，但它與現(xiàn)代科學的結論比較吻合。

原子學說的早期論點也見諸于中國的史書。我國春秋戰(zhàn)國時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”，便達到最前的質(zhì)點。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）是墨學的創(chuàng)始人和《墨經(jīng)》一書的主要作者。墨子學派在某些方面和稍晚的希臘學者亞里士多德很相似。他們都曾嘗試把形式邏輯學用于數(shù)學。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，那么墨家學派則是東方邏輯學的奠基人。）

近百年來，人類的認識逐漸達到原子、原子核、核子、夸克這幾個層次，對其觀測的尺度已從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驗室。人類對無限小和無限大世界的研究也已經(jīng)逐步有機地結合起來。

粒子探測器的發(fā)展史 

高能物理實驗研究需要粒子加速器和探測器及其它設備。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撞，以研究物質(zhì)深層次的結構。探測器用來探測碰撞產(chǎn)生的微小粒子，記錄各種信息，如粒子徑跡、衰變產(chǎn)物、飛行時間、粒子動量、能量、質(zhì)量等。粒子探測器的發(fā)展史正是人類對物質(zhì)世界的認識不斷深化和實驗同理論不斷相互促進的歷史。

1590年和1609年先后出現(xiàn)的顯微鏡和望遠鏡使人們得以在兩個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器，它們開始使人類對“小宇宙”和大宇宙的探索逐步走上現(xiàn)代實驗科學的軌道。

1895年德國物理學家倫琴（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器歷史的開端。

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

核物理和宇宙線的發(fā)展反過來又帶動了各種探測器的發(fā)展。本世紀二十年代到六十年代出現(xiàn)了核乳膠，云霧室，火花室，流光室等徑跡探測器以及電離室，正比與蓋格計數(shù)管和閃爍計數(shù)器等電子學探測器。新粒子的發(fā)現(xiàn)往往借助于當時的新型探測器，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家為主于20世紀50年代利用氣泡室發(fā)現(xiàn)了反Σ^-超子。

20世紀50年代以來，由于研究進入核子夸克層次，要求轟擊粒子的能量更高，這時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度的加速器（或?qū)ψ矙C），粒子物理（也稱高能物理）實驗要求快速地記錄愈來愈復雜的高事例率事例。由于徑跡探測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，而電子學探測器如有機閃爍體計數(shù)器單粒子計數(shù)率可高達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器就逐漸讓位于電子學探測器。

60年代末至80年代初，同多路電子學配合使用的多絲正比室、漂移室、多種電磁和強子量能器和標準快電子學插件NIM系統(tǒng)及CAMAC總線系統(tǒng)迅速發(fā)展起來。加以電子學技術和計算機的飛速發(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撞機的大型綜合多粒子譜儀及非加速器宇宙線實驗的大型電子學探測器陣列。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。

這些年來在這一領域有多位科學家獲得了諾貝爾獎，有力地說明了粒子探測器對科學發(fā)展所起的重要作用以及理論的發(fā)展基于實驗這一基本觀點。

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