宇宙外面是什么是宇宙

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宇宙是什么意思 ?
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宇 宙(yǔ zhòu),“四方上下曰宇,古往今来曰宙.”——《新华字典》   在多元化 宇宙历史的汉语中,“宇”代表上下四方,即所有的空间,“宙”代表古往今来,即所有的时间,“宇”:宇宙有限空间,“宙”:无限时间.所以“宇宙”这个词有“所有的时间和空间”的意思.把“宇宙”的概念与时间和空间联系在一起,体现了我国古代人民的智慧.  “宇宙”一词,最早出自《尸子》这本书,“宇”代指的是一切的空间,包括东,南,西,北等一切地点,是无边无际的;“宙”代指的是一切的时间,包括过去,现在等,是无始无终的.  "宇"指空间,"宙"指时间.宇宙就是在空间上无边无际,时间上无始无终的,按客观规律运动的物质世界.  宇宙是万物的总称,是时间和空间的统一.宇宙是物质世界,不依赖于人的意志而客观存在,并处于不断运动和发展中.宇宙是多样又统一的.它包括一切,是所有时间和空间的统一体,没有时间和空间就没有一切.所以它包含了全部.
宇代表所有的空间,宙代表所有的时间
在多元化的汉语中,“宇”代表上下四方,即所有的空间,“宙”代表古往今来,即所有的时间,“宇”:无限空间,“宙”:无限时间。所以“宇宙”这个词有“所有的时间和空间”的意思。 把“宇宙”的概念与时间和空间联系在一起,体现了我国古代人民的独特智慧。   “宇宙”一词,最早出自《庄子》这本书,“宇”代指的是一切的空间,包括东,南,西,北等一切地点,是无边无际的;“宙”代指的是一切的时间,包括过去,现在等,...您当前的位置 :&&&&&&&正文
甘肃法制报
甘肃农民报
甘肃经济报
宇宙外面是什么?
穆斯林通讯&& 15:28
  宇宙外面是什么?
  □马延伦
  前不久,看到一篇科普文章,深受启发,引人冥思,因此辑录在这里,与喜欢宇宙学和哲学的朋友分享。
  宇宙尽头是什么?
  可能每个人都想过宇宙的尽头是什么。从爱因斯坦开始,宇宙的体积问题就被作为一个课题探讨。现在物理学已经测算出宇宙的体积。可人们不禁要问:那外面又是什么?一个空间总有一个尽头,而尽头之外总该有东西&&自然又是说不清了,但科学家却能测算数据。在科学家那里,宇宙的大小是实实在在的,这很让一般人费解。
  与霍金对话谈宇宙
  让我们听听英国著名物理学家霍金怎么说。有一次霍金在大学访问演讲,有个学生问了他一个问题:&凭什么说宇宙的大小是科学的数据得出的那般,若是那样,这个范围外面又是什么?&霍金说:&我知道你的疑惑,我可以告诉你,那外面不会是一个空间,如果我说那里什么也没有,那就证明空间存在。然而事实上,那里是意识的边界,那地方连空间也不存在。&你能想象吗?既没有空间也没有时间,是人类意识的边界,你可以理解为,在那外面的区域,任何的一切不存在以外面的意识为出发点的既定意义。
  时间空间物质
  从相对论开始,时间和空间就不能被单独研究,时间和空间是一个结合的概念。物质只是它们相互作用的产物。因此,某个地方不存在时空,即是说,它不存在这种&存在的意义&。即使你掉进黑洞回到亿万年前,你还是在时空中,你无法想象连时空都不存在的地方。
  精神感知存在空间
  值得一提的是,按照上面霍金的通俗说法,甚至可以衍生出这样的意义:我们所处的既定空间是由于我们精神的感知而存在。在这个大前提下,唯物主义的一切自然法则依然有效,那个边界正是我们的精神边界。注意:唯物和唯心在这里居然得到了统一,当然这只是一个假设。
  认识的有限与无限
  既然我们对物质的研究是由精神发起的,所以精神和物质就会纠缠不休。也许根本不存在谁先谁后,在我们有限的生命和时空范围内,我们认知有限而未知却无限。也许等我们真正死去了,才能知道自然的奥秘,因为那时我们已经和自然融为一体了。
  人和宇宙是被造之物
  文章的结尾,科学家已经作出摊牌:&也许等到我们真正死去了,才能知道自然的奥秘。&我认为,人和宇宙是被创造的,人类的认识就必然有局限性。人类历史上,探索真理和宇宙的进程虽然在不断前进并不断接近终极目标,但永远不会到达尽头,就是无法认识到存在的实质。宇宙存在是造物主从无到有创造的奇迹,除外,谁再有无中生有的本领,必然导致宇宙的混乱,所以说造物主应当是独一的存在。我们不能这样眼睁睁地、懵懵懂懂地等待着死亡后的觉悟,那样不为时已晚吗。
  创造人类规范道德
  人类试图了解宇宙一切的奥妙只能是妄想,被造物研究创造是能力不及的,但我们仍然鼓励和倡导研究与探索,这也是造物主赋予我们的责任和义务。倘若没有超绝万物的造物主存在,时空缘何产生?精神和物质怎么能够统一?造物主创造了人类作为世界的代管者,并下达真理规范道德行为,这不是偶然事件。
  道德与良知源于灵魂
  由此我也认识到,道德和良知的观念源于造物主对灵魂的植入,只有遵从这些高尚的思想和行为准则,人的精神才能安宁和平静;执权者才会产生出致力于公正公平的善心和行动,才会把不同国籍、不同种族、不同肤色、不同信仰、不同性别的人平等对待;才会真正实现美好的和谐社会。背离道德,则必然走向精神颓废、尔虞我诈、贪污腐败、强权暴力、淫乱私通、杀人放火、相互残杀、毁坏自然等恶劣行径,最终将人类带入消亡。
  造物主的普慈特慈
  造物主给茫茫宇宙制定了一系列法则,并赋予物质和生命一定量的自由选择度,这是普慈特慈属性的表现。人不能只为自己活着,应当致力于履行他的社会责任,使自己的精神闪光,劣行则会昏暗自己的精神,这里指的是永久存在的实质精神。造物主把人类置于许多不同的境况,其实就是对其创造的精神的一次处理和提炼,就像材料提升性能的工艺过程。
  私欲导致人类的悲剧
  拥有高度智慧的生命体,伴随着极大的贪欲,导致了人类史上无数次悲剧的发生。《古兰经》说:&你们因竞赛富庶而耽误。&穆圣说:&我来到世间,只为完善人类的道德。&思索宇宙和生命的真谛,解析灵光的产生和回归。
  每个人都应觉醒
  困苦中的生命最多思虑极致真理,安拉佑助,我有幸学习到这类优秀群体的思想,在主道上奔走。人类只有服从安拉的教诲,接受安拉的警告,才是唯一的出路。今天没有人再指望长生不老;谁也不能带走今生的浮华和财富,只有善功才是永久的积蓄。我们无法知道思想的起始,怎么能断定躯体的衰亡就是精神的熄灭?真正的觉醒应当是感悟到后世的存在。
  有限的知识与无限的奥秘
  过去的知识让我们了解的宇宙无边无际,今天的科学家测算出了它的体积,晓得宇宙的形状是扁平的;过去我们认为光线是直线运动,现在光线弯曲学说诞生;以往没有人知道反物质和黑洞的概念,最新研究不断取得进展。一般缺乏宇宙知识的人因无法想象这些理论而心存疑惑。其实,这些都是特定时期人类研究的阶段成果,都是相对前面认识的又一次提高,也就是对无法达到的边界思维的一个最新定义。按照宇宙大爆炸理论,科学家当然继续追溯&奇点&的来源和大爆炸产生的原因。毫无疑问,这些极致问题的最终答案,是造物主的秘密。
  造物主的独一超然和永恒
  科学不断发展,认识逐步更新,一切都是与时俱进,这是时空范围内的普遍法则。不变的只有超绝万物、绝对、独一的智慧&&真宰应当是凌驾于一切之上,它的属性就是存在、永恒、无始、无终超然&&
本篇新闻热门关键词:&&  闲聊宇宙(37)——什么是宇宙  文/侯工  网友:  这5个粒子叫什么啊?这5个东西性质相同吗,以及其他问题,比如他们结合是受什么力。  按照你的说法宇宙是分到这里就不可分了,就是说世界是由5种东西组成的,是不是这么理解啊?  侯工:  这5个粒子叫最小粒子,也叫基能粒子。当它们分散存在时,性质是相同的;当它们结合在一起时,就各司其职了:一个蓝色的是南磁极,另一个蓝色的是北磁极,三个红色的是单极电荷。他们结合是受到宇宙球面的牵制力,比如你用5条绳子分别拴住5 个小球,当你将5条绳子抓住然后拉动,5个小球就会靠拢在一起。  最初,当它们靠在一起时,由于宇宙球面空间为0,迫使它们全部以最小粒子的储存体即狭义物质形态存在;由于这些物质的速度不均衡,所以它们必须运动才能做到速度均衡,在速度均衡的过程中形成宇宙原速;由于宇宙球面与半径的不确定关系,使宇宙球面按照宇宙原速沿着径向膨胀。  狭义物质是在宇宙球面膨胀过程中的必然产物。宇宙球面由小到大,宇宙空间也由小到大,意味着狭义物质逐渐分解为最小粒子。可见,狭义物质是在空间不足的情况下被迫形成的。这种被迫的力就是宇宙球面的制约力,也叫原速束缚力。——这就是万有引力。这种情况出现在宇宙球面膨胀的全过程中。因为宇宙球面还不足以让所有的最小粒子全部展露开来,因此有一部分最小粒子就以物质的形态成为最小粒子的储存体,也就是说,物质是候补的宇宙球面。打个比方,物质与宇宙球面的关系好比是毛线球与毛线的关系,拉动毛线,毛线球就转动了。同理,宇宙球面的膨胀力拉出物质里的最小粒子,物质也就转动了。  当5个最小粒子靠在一起的时候,就成了这个样子:  5个粒子互相之间就产生了运动阻力,这种阻力叫邻域阻力,表现为红蓝粒子的速度不均衡,这样就会导致互相分离,但是宇宙球面没有足够空间又不允许分离,唯一的办法是在宇宙球面的牵制力下采用半奇数自旋的方式。  什么是半奇数自旋的方式?半奇数自旋的粒子称为费米子,电子就是一种费米子。自旋是微观粒子的一种性质。自旋为0的粒子从各个方向看都一样,就像一个点。自旋为1的粒子在旋转1圈後看起来一样。自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才一样。质子带有与电子相反的电荷,是一种与电子旋转方向相反的费米子。  图4这种结构的粒子就是电子,电子是构成物质的基本单位。但是电子还是可分的,电子的碎片是中微子,中微子再分解就是最小粒子,世界是由最小粒子组成的——最小粒子组成电子,电子组成质子和中子,质子和中子组成原子核,原子核与电子组成原子,原子与原子组成分子,分子与分子组成物质,最后由物质和最小粒子组成世界。  网友:  非常支持侯工,经常有好东西发布。  不过宇宙问题非常复杂,侯工说不复杂我觉得很奇怪。我们探索宇宙就像井底之蛙研究地球。就像蚊子研究水的性质,它们只承认水有2态,无法理解水有固态,不是它们不聪明,即使比人类还聪明也不行——因之时也。  侯工:  我说不复杂,是针对那些故弄玄虚的理论说的。可是,人和青蛙蚊子是有本质区别的——因为人有智慧,所以人可以认识宇宙。  网友:  侯工只是给人类画了个像,说这就是人。根本没有解释说生命是怎么来的。为什么会这样?因为我们目前只知道这样一种生命形式。  其实这个生命有很多缺陷注定不能发展到极致。注定无法认识更深刻的东西。  目前的生命或者说人——这么比喻吧:我们像模拟电路;世界像数字电路。你无法用模拟电路解决数字电路的问题。也就是说你认为世界上只有模拟电路。数字电路是解决了所有模拟电路问题后要解决模拟电路根本没有出现的问题。这就是人类认识世界的局限,他们无法克服。  侯工:  科学是一步一步发展的,认识了宇宙,是认识生命的开始。人类具有无穷的智慧。既然人类能够解决宇宙来源问题,那么也一定可以解决生命来源问题。  网友:  时间与空间是什么关系?  侯工:  空间是时间的状态,时间是空间的次序。时间与空间合在一起就是宇宙。
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  佛陀给我们讲解太阳系、银河系、外星人......(你绝对没有看过)  第二章 太阳能  第一节
光能  太阳能量非常宽,光能黑能风转能。光能也含各种线,照到地球成可见。可见光中红与黄,就是热能大量放。人类利用太阳能,目前取的就是光。方法虽然已改进,能量还是不很强。为啥能量不很强,吸收材料要改装。目前使用硅吸光,转变效率太低档。只要稍加作改进,就可增长十倍强。方法说来很简单,联合锌片把身翻。锌片不是单纯片,加入硅中起变迁。炼硅炼锌同步行,硅锌就能结合紧。这种材料来吸能,功率效益成倍增。方法并不太复杂,人类完全知道它。锌中含的能量大,结合转换需要它。目前人类用锌片,只知电脑来相看。传输信息起作用,不知也是一种功。信息能量本一家,能作载体传输它。所以功能十分大,光能转换需要它。硅片硅片也很难,提炼程度要精点。加入锌后起作用,结合起来并不难。这种方法去实验,能源能源新能源。人类生活要改变,改善环境又省钱。硅锌还不算完善,变个方法更可观。如果加入硒酸盐,能量还要翻几番。硒酸盐啊硒酸盐,结合起来也不难。硅锌结合制成片,再用硒酸去搽面。就像人间涂脂粉,浓缩表面稳又稳。这种材料做能源,一天胜过好多年。如果需要玩精点,还有改进翻几番。加硒为啥很灵验,硒是能量信息源。天上物质可吸收,传给人间做能源。今后还要变一变,变成复杂多维片。这种方法也简单,取出锗来又涂面。到时完成新材料,太阳能量跑不掉。探索太空不稀奇,小小几片就飞起。如果要飞银河系,宇宙能量供给你。宇宙能啊宇宙能,敢比太阳更高明。今后利用太阳能,方法十分多得很。可供家庭生活用,可作交通能源行。可供机器来运转,可做人间大事情。还有能源多得很,献给人类得太平。稳步行!稳步行!  第二节 黑子能  太阳黑子也是能,爆炸之时大发生。起的都是核反应,巨大能量空间现。可惜能源太短命,人类至今用不成。当成灾害来反应,看成人类的祸星。这些都是误区禁,换过思路就是能。怎样利用黑子能,天法地法两头清。天上要用卫星截,传向地面就成能。地面要搞吸收站,能量才会来交换。卫星上面装雷达,吸收利用全靠它。再搞一个加速器,变成能量地面发。这种能量不要怕,不是放射莫管它。名称暂时还未定,用个符号代表它。人间设立地面站,就像卫星吸收站。只是材料不相同,需要改进才出功。金属材料要少用,水晶玻璃样样通。玉石云母金刚石,都可吸收来传送。传输导线用光纤,集中起来变成电。再加转换输出去,就成人类新能源。这个能量很简单,需要卫星多放点。月球建个中间站,能量就会更可观。变换变换快快变,人类能源用不完。科学发明要改进,莫把金属当成天。金属为啥难转变,外来物质不相干。为啥传闻外星人,看见就要得场病。就是金属在作怪,普通人类把病害。各种方法都简单,就是意识要转变。为啥黑能传得简,目前暂时难实现。光能利用到顶点,黑子能量才接班。下步自有高人传,具体方法就出现。宇宙飞行航天器,到处都有能源站。莫说现在外星人,他们也靠能源行。只是能源来得便,才可到处去巡天。为啥有人看不见,不是实体是虚幻。能量可以变物质,物质也可变能源。都是时空在转换,不是地球算光年。也不难!也不难!  第三节 太阳风  宇宙能量大无穷,太阳只是一个种。黑子过了就是风,风是能量大无穷。裂变聚变都在现,氢变氦变不一般。各种粒子都出现,各种能量用不完。光子质子中微子,只是粒子一小点。还有粒子更微观,变成杳子更可观。杳子怎样来体现,氦气还要产生变。随着事物的发展,随着能量的演变。氦生粒子成为场,粒子就朝负方转。这种粒子看不见,属于宇宙另一半。目前人类难收集,只有研究在发展。肇中先生取负电,也是实验初级段。由于隔地还不远,飞来负电还微观。今后仪器再发展,粒子就要成倍翻。月球建个中间站,再远发射有地盘。那时你们再来看,负方粒子起串串。目前发现负粒子,湮灭光化就完蛋。怎么才能把它管,换过材料就实现。运用宝石作容器,把它吸住来关起。送回地球再使用,奇迹就要大出洞。爱因斯坦管一半,提出理论不好办。肇中先生来实现,变成实践献人间。观音菩萨不是天,也是凡人作修炼。他也是个科学家,炼个宝瓶就开花。为啥要把瓶瓶拿,他才能够显大法。瓶中装的不是水,宇宙能量在迂回。全是负体不显露,用时才知妙无穷。为啥能够收海水,就是水来变成气。此气不是一般气,氢氧分离无秘密。倒出再来起结合,海水大浪起洪波。这里不是说神话,全是科学在显法。你们如果照着办,宇宙粒子看得见。收集风中负粒子,人间就做大贡献。什么实体都可变,什么能量都可栓。变来变去亲眼见,显化就是大贡献。不难办!不难办!  第三章 宇宙能  第一节
太阳系能  宇宙能量讲整体,分别不同来述说。首先要谈太阳系,巨大能场在相联。还有粒子和射线,构成一体不分散。如果没有能量场,哪成系统在一方。各飞各的自由乱,还有什么宇宙天。人间说的各层天,就是系统名词现。一个系统一层天,自然规律样样显。太阳系内能量大,场体作用成一家。如果没有场托起,卫星哪能按规行。宇宙飞船虽然快,也是场能在安排。发射之时输能量,也是启动不很强。如果没有能量场,航天也难向外访。目前人类讲航天,只在近处打转转。飞越几个小行星,远的还是不得行。为啥现在还不行,就是未取场本能。系能既然是个场,就要转换才相帮。如何利用能量场,思维需要转个向。浮力作用已知晓,还有推进才可跑。方法实在太巧妙,插根天线就可到。天线就是转换器,可以不断去收集。变成能源自己用,免得航体太笨重。船体材料需要转,不是合金是晶晶。物质虽然不透明,耐热耐摩样样精。天线不是一般线,超导材料传光电。三级太阳电池极,自供能源就航天。晶体材料也要变,石棉光纤加化纤。加压加温来熔成,成形更比钢铁坚。形体也能吸能量,你说方便不方便。场能场能样样行,转换需要加把劲。人间需要讲正信,佛法才能说得清。无论什么科学家,都要修心才开花。静坐冥想修心法,场能才能传给他。目前人间心性坏,不信佛法自安排。佛法引导人类进,也看你是什么根。有根自然通明晓,无根只能跟着跑。人类伟大科学家,不是哪个都可拿。爱因斯坦什么人,也是佛门一尊神。灵宵宝殿搞接应,他原就是太白星。我今点名丁肇中,佛门大佛要出功。只有他来才能动,宇宙大法在心中。丁肇中啊丁肇中,人间还需苦用功。带领人类向前奔,大法大道乐无穷。要出龙!要出龙!  第二节
银河能  银河系内能量多,光体信息来结合。中心就是虚无体,边沿星系多多多。三维多维同存在,很难明显划分开。边沿就是实体系,就像太阳一样升。人间说的小世界,就是星系实体化。一个实体一重天,三千小千汇中千。中千中千是方便,其实还要管得宽。中千就是银河系,说尽机关不神秘。银河系内信息多,能量光波来结合。实体很难闯进去,有形物质变成烟。即使边缘实体系,人间也难进得去。因为形质不相同,所以很难往里冲。如果要进银河系,放下实体变虚体。无需工具来搭乘,无需能量作动力。能源就是你自己,意识能场高无比。连通天地显出来,宇宙会听你安排。只要心里想一想,就可随意向外访。银河系内任逍遥,随你去往哪里跑。气场能量很高妙,高师大德真不少。如果你能进得去,他们会来欢迎你。可显人形可显庙,可显楼台和花草。可显万物生紫气,可显大地样样高。无论何时都可到,无论见谁都可交。原来就是好朋友,只是过去不知道。什么传闻外星人,都是灵体在飞行。只是凡人不知晓,到处去把实体找。一重世界一重天,法则不同在运转。光年只归地球人,银河并无时空观。拿着概念去套天,弄来弄去搞不穿。人间为啥讲修炼,就是叫你上重天。心里能量发出来,自然会有巧安排。为啥多数不修炼,就是观念未改变。认为修心是虚谈,不见物来不见钱。不知虚实可互变,阴的不行阳的难。修心修心是上进,不是不干关紧门。人间要把实事做,才能修心出心能。和尚懒汉也修心,不做实事吃现成。须知那是在造业,哪能给你出心能。人间要讲大精进,贡献越大越有能。方法不需外人传,自然就会接通天。人间为啥要讲根,根是能量信息源。时时都可作转变,时时都可连通天。人世社会说修根,快快去读东方经。宇宙大法讲得明,一看就会通灵性。快长进!快长进!
  你这是七字经吧
  版主,楼主大人,不好意思,打扰一下,打个广告,有想开网店的朋友可以扣扣:  我就静静的发个贴,打个广告,请表删好不!
  更正:运动的物质表现出来的范围和量值称为空间,换言之,空间是物质的状态,时间是物质空间变化的次序。物质运动状态依次序变化即空间与时间合在一起就是宇宙。
  @silenthammer
16:14:49  佛陀给我们讲解太阳系、银河系、外星人......(你绝对没有看过)  第二章 太阳能  第一节
光能  太阳能量非常宽,光能黑能风转能。光能也含各种线,照到地球成可见。可见光中红与黄,就是热能大量放。人类利用太阳能,目前取的就是光。方法虽然已改进,能量还是不很强。为啥能量不很强,吸收材料要改装。目前使用硅吸光,转变效率太低档。只要稍加作改进,就可增长十倍强。方法说来很简单,联合锌片把身翻。......  -----------------------------  太out了
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在近日举办的201...
> 宇宙外面是什么?宇宙有多大?[宇宙图片]
宇宙外面是什么?宇宙有多大?[宇宙图片]
宇宙外面是什么?宇宙到底有多大?相信很多人都曾经试图找到这个问题的答案,事实上物理学家们研究宇宙已经很久了。宇宙之外是什么样子还是未知数。相信看完下面的内容,或许对于您找到答案有所帮助。
  2 充斥着星系
这张照片是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一这是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一
  这张照片是美国宇航局哈勃空间望远镜获得的最深邃的影像之一。科学家们让哈勃望远镜对准天空中的一小块区域进行长时间的曝光&&长达数月,尽可能地捕获每一个暗弱的光点。文中上图是局部的放大,完整的图像是下面这幅图,其中包含有1万个星系,从局部放大图中,你可以看到一些星系的细节。
完整的图像完整的图像
  当你看着这些遥远的星系,你可能没有意识到自己正在遥望遥远的过去,你所看到的这些星系都是它们在130亿年前的样子,那几乎是时间的尽头。如果你更喜欢空间的描述,那么这些星系离开我们的距离是300亿光年。
  宇宙处于不断的膨胀之中,但与此同时科学家们对于宇宙尺度的测量精度也在不断提高。他们很快找到了一种绝佳的描述宇宙中遥远天体距离的方法。由于宇宙在膨胀,在宇宙中传播的光线的波长将被拉伸,就像橡皮筋被拉长一样。光是一种电磁波,对于它而言,波长变长意味着向波谱中的红光波段靠近。于是天文学家们使用&红移&一词来描述天体的距离,简单的说,就是描述光束从天体发出之后在空间中经历了多大程度的膨胀拉伸。一个天体的距离越远,当然它在传播的过程中光波波长被拉伸的幅度越大,光线也就越红。
  如果使用这种描述方法,那么你可以说这些遥远的星系的距离大约是红移值Z=7.9,天文学家们立刻就会明白你所说的距离尺度。宇宙射线_百度百科
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宇宙,指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的。1912年,德国科学家多·汉斯带着室在乘气球升空测定度的实验中,发现电离室内的电流随海拔升高而变大,从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的,于是有人为之取名为“宇宙射线”。2015年挪威科学家利用遥远太空中的宇宙射线来研究闪电和雷雨云的细节信息。[1]领&&&&域宇宙学提出人多·汉斯
1912年,德国科学家韦克多·汉斯带着室在乘气球升空测定度的实验中,发现电离室内的电流随海拔升高而变大,从而认定电流是来自地球以外的一种穿透性极强的所产生的,于是有人为之取名为“宇宙射线”。
宇宙线亦称为宇宙射线,是来自的带电高能。它们可能会产生穿透地球的大气层和表面。射线这个名词源自于曾被认为是电磁辐射的历史。主要的(来自深太空与大气层撞击的粒子) 成分在地球上一般都是稳定的粒子,像是质子、原子核、或电子。但是,有非常少的比例是稳定的粒子,像是或,这剩余的小部分是研究的活跃领域。
大约89% 的宇宙线是单纯的或氢原子核,10%是或,还有1%是。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子(像是,虽然来源仍不清楚),构成其余1%的绝大部分;和超高能只占极小的一部分。
粒子能量的多样化显示宇宙线有着广泛的来源。这些粒子的来源可以是太阳(或其它恒星) 上的
一些程序或来自遥远的可见宇宙,由一些还未知的物理机制产生的。宇宙线的能量可以超过10E20,远超过地球上的粒子加速器可以达到的10E12至10E13 eV,使许多人对有更大能量的宇宙线感兴趣而投入研究[1]。
经由宇宙线的过程,宇宙线对宇宙中锂、铍、和硼的产生,扮演着主要的角色。它们也在地球上产生了一些放射性同位素,像是。在粒子物理的历史上,从宇宙现中发现了、μ和。宇宙线也造成地球上很大部份的,由于在地球大气层外和磁场中的宇宙线是非常强的,因此对维护航行在行星际空间的太空船上太空人的安全,在设计有重大的影响。
宇宙线大致可以分成两类:原生和衍生宇宙线。 来自太阳系外的天文物理产生的宇宙线是原宇宙线;这些原宇宙线会和作用产生衍生(二次)宇宙线。太阳在产生闪焰时,也会产生一些低能量的宇宙线。在外的原宇宙线,确实的成份,取决于观测能量谱的哪些部份。不过,一般情况下,进入的宇宙线几乎90%是,9%是核(),和大约1%是电子。氢和氦核的比例(质量比氦核是28%)大约与这些元素在宇宙中的(氦的质量占24%)相同。宇宙射线(cosmic ray)一般指约在46亿年前刚从形成的地球。初生的地球,固体物质聚集成内核,外周则是大量的、等气体,称为第一代大气[2]。
那时,由于还不够大,还缺乏足够的引力将大气吸住,又有强烈的(是太阳因高温膨胀而不断向外抛出的,在太阳附近的速度约为每秒350~450公里),所以以宇宙射线氢、氦为主的第一代大气很快就被吹到宇宙空间。地球在继续旋转和聚集的过程中,由于本身的凝聚收缩和内部(如铀、钍等)的蜕变生热,不断增温,其内部甚至达到炽热的程度。于是重物质就沉向内部,形成和,较轻的物质则分布在表面,形成地壳。
初形成的地壳比较薄弱,而地球内部温度又很高,因此活动频繁,从火山喷出的许多气体,构成了第二代大气即。
原始大气是无游离氧的还原性大气,大多以化合物的形式存在,分子量大一些,运动也慢一些,而此时地球的质量和引力已足以吸住大气,所以原始大气的各种成分不易逃逸。以后,地球外表温度逐渐降低,凝结成雨,降落到地球表面低凹的地方,便成了河、湖和原始海洋。当时由于大气中无游离氧(O2),因而高空中也没有(O3)层来阻挡和吸收的紫外线,所以紫外线能直射到地球表面,成为合成有机物的能源。此外,天空放电、所放出的热量,宇宙间的宇宙射线(来自宇宙空间的流,其来源目前还不了解)以及陨星穿过时所引起的冲击波(会产生摄氏几千度到几万度的高温)等,也都有助于有机物的合成。但其中天空放电可能是最重要的,因为这种能源所提供的能量较多,又在靠近海洋表面的地方释放,在那里作用于大气所合成的有机物,很容易被冲淋到之中。
太阳系是在圆盘状的中运行的,运行过程中会发生相对于位置的位移,每隔6200万年就会到达距离银河系中心的最远点。而整个“银河盘”又是在包裹着它的热气体中以每秒200公里的速度运行。“银河盘并不像飞盘那样圆滑,”科学家称,“它是扁平的。”当银河系的“北面”或前面与周围的热气摩擦时就会产生宇宙射线。宇宙线的起源通常指宇宙线中的主要成分──各种的发射和加速过程。宇宙线在空间中的运动和分布,属于宇宙线的传播问题。宇宙线的起源和传播问题是彼此密切相关的:加速和传播阶段不能截然划分开;相当一部分原子核产生于传播过程中。
宇宙线的起源和传播是高能天体物理学中一个重要的问题。宇宙线是各种过程的产物,特别是各种高能天体物理过程的产物,携带着这些过程的丰富信息。
但是,宇宙线起源和传播的研究有许多困难:首先由于宇宙线带电粒子在空间传播过程中受到的偏转,人们无法直接探知它们在空间的分布,只能由宇宙线在运动和作用过程中发射出的射电波、X 射线和γ射线间接地推断它们的存在。宇宙线在传播过程中,还同作用,不断改变其能量和组成,观测到的初级宇宙线成分和能谱,是由原始起源与传播过程共同决定的。从地球附近初级宇宙线推断产生源处原始宇宙线的情况,必须考虑宇宙线在传播过程中同星际物质的作用以及地球和太阳系磁场的调制,由、X射线和γ射线观测推断银河系内宇宙线粒子分布,也必须了解的分布情况;但是人们对于太阳系磁场和一些重要的星际介质(如星际氢分子)的认识还只是刚刚开始。此外,随着初级宇宙线观测的进展,现有核物理和知识(如原子核反应、的衰变寿命和分支比)的不足,已越来越成为限制人们了解原始宇宙线的重要原因。
宇宙线高能粒子应起源于各种高能天体或天体高能过程。太阳和其他表面的高能活动、超新星爆发、、类星体和等,都可能是宇宙线源。目前人们普遍认为大多数宇宙线粒子起源于银河系内。爆发等高能过程伴随着粒子的发射,但这种只能产生太阳系空间宇宙线粒子的一个小部分,而且太阳粒子平均能量仅数十兆,大部分宇宙线应来自太阳系之外。银河系普通恒星的粒子发射只能产生银河系内宇宙线粒子的一个微不足道的部分,大部分宇宙线应产生于比普通更剧烈的过程。
超新星爆发是银河系内最猛烈的高能现象。银河系超新星爆发的平均能量输出可以满足维持能量密度的需要。等超新星遗迹强烈发射高度的非热辐射,它们应当是高能电子在磁场中的同步辐射。超新星遗迹中存在着大量的高能电子,应当是宇宙线高能电子的发源地。人们普遍设想超新星爆发及其遗迹也应当发射高能原子核,成为宇宙射线的主要来源。宇宙线中氢和氦核的较太阳系或银河系平均丰度小,表明宇宙线原子核可能来自过程的晚期。宇宙线中重元素(例如Z&60)较多,它们可能是超新星爆发条件下快速俘获过程(γ过程)的产物。宇宙线中一些元素的丰中子较多,也表明宇宙线可能起源于超新星爆发形成的丰中子环境中。但是,迄今并无直接的证据说明超新星及其遗迹发射高能原子核。超新星爆发所释放的能量如何转化为粒子的动能,以及从很多超新星这样的分立源如何能形成宇宙线粒子的能谱,都是超新星起源模型所面临的困难。对于初级宇宙线的新近测量结果的分析表明,原始宇宙线重元素的相对丰度分布接近于太阳系的分布,与γ过程预期的分布差别甚大,也同超新星起源模型不一致。
E.费密曾于1949年提出宇宙线在星际介质中统计加速的机制:带电粒子在同随机运动的磁场不断地碰撞中得到加速。机制可以解释宇宙线的幂律能谱。但是,费密机制要求粒子另有初始加速过程,要求有足够的能量供给星际介质中磁场的运动;同时费密机制不利于加速重核,难以解释观测到的宇宙线分布。近来的X射线观测发现,超新星遗迹中至少在104年内存在着强烈的。理论分析表明,星际介质中的激波可以有效地加速宇宙线粒子,而且可以产生能谱。由超新星爆发等高能活动引起的较强烈的激波在星际空间高温稀薄气体中可能传播足够长的路程,使激波加速机制可能有效地加速宇宙线粒子。但是,近来发现原始宇宙线分布与原子密切相关:第一电离能愈低的元素,原始宇宙线丰度与太阳丰度之比愈大。所以,宇宙线起源和加速区域的温度不能太高(&104开),使超新星爆发和高温气体中的加速机制遇到了困难。X射线天文观测发现,银河系中为数众多的晚期恒星(K型和M型矮星)虽然光辐射微弱,但X射线发射和耀斑活动(从而粒子发射)的高能过程却仍然很活跃,因而可能是宇宙线的重要发源地。但它们发射出的粒子如何进一步得到加速,也是一个没有解决的问题。 银河系内产生的高能宇宙线粒子,如果自由地在空间中传播,则应在103~104年时间内飞出银河系。由初级宇宙线元素相对丰度推得宇宙线粒子平均穿过的物质厚度约为5克/厘米2,而银盘中星际气体的平均密度约为1/厘米3,则宇宙线在银盘中的平均滞留时间约3×106年,比自由粒子穿越银盘的时间长得多。所以星际空间中宇宙线粒子不是自由地传播而是在非均匀分布的星际介质中扩散,并且可能在银河系边界处受到反射。从初级宇宙线中一些长寿命同位素(如10Be)相对丰度推得的宇宙线平均寿命 (塼107年)比在银盘中的滞留时间长,所以银河宇宙线粒子在其寿命内的大部分时间中可能是在围绕银盘的某个物质稀薄的区域──宇宙线晕中传播的。 目前人们关于银河系的知识和对宇宙线的观测,还不足以构成和判断细致的宇宙线传播模型。在处理与宇宙线传播效应有关的问题(例如从初级宇宙线组成和能谱推断原始宇宙线的组成和能谱)时,常采用一些简化的稳态传播模型,例如漏箱模型。漏箱模型假定银河系内宇宙线不随时间和地点变化,宇宙线粒子在银河系内扩散,通过边界以一定的概率缓慢地向银河系外泄漏。 虽然自60年代以来,随着初级宇宙线以及射电、X射线和γ射线天文观测的进展,人们对于宇宙线起源和传播的认识在不断深入,但由于问题的复杂性,迄今尚未能得到较为满意的模型。人们对于极高能量宇宙线的了解就更少了;即使对于这部分宇宙线的成分,都还缺乏任何明确的认识。不能贮存能量高于 1018电子伏的粒子,银河系的极高能粒子应当呈现高度的各向异性;但能量高于1018电子伏宇宙线粒子方向的各向异性度揥10%,而且较多的粒子并非来自银河系中心,所以极高能宇宙线粒子可能起源于银河系外。由于河外星系的很低,河外区域必须存在比银河系强大得多的宇宙线粒子源,才能解释观测到的极高能宇宙线粒子流。我们知道,宇宙线主要是由、氦核、铁核等裸原子核组成的高能粒子流;也含有中性的珈玛射线和能穿过地球的中微子流。它们在星系际银河和中得到加速和调制,其中一些最终穿过大气层到达地球。人类对宇宙射线作微观世界的研究过程中采用的观测方式主要有三种,即:空间观测、地面观测、地下(或水下)观测。为了有效和长期对宇宙射线进行观测,各国都相继建立了观测站。1943年,在建立了海拔3200米的阿拉嘎兹高山站;日本在战后建立了海拔2770米的乘鞍山观测所;1954年中国建立了海拔3200米的云南东川站。1990年,中日双方共同合作建立了西藏羊八井宇宙射线观测站。几乎所有外来的高能宇宙线,除外在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞,并转化出粒子,而的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子,如此下去,将会产生一个庞大的群;这一现象是1938年由法国人在观测发现的,并取名为“”。在广延大气簇射过程中,能量低于10的14次方电子伏特的粒子很难到达3000米以下的低空,而是在4000米处超高能粒子群发展到极大。由于西藏地处海拔4300米,终年无积雪,地势平坦开阔,在能源、交通及生活上都具有便利条件,科研人员可在此进行长年不间断观测。以羊八井的探测器为例,当粒子穿过闪烁体时在其中损失能量使闪烁体发生荧光,这一束闪光经过光阴极转换和光电倍增管放大后变为一个电脉冲信号。这个信号经过电缆被送到电子学记录系统,由磁带进行全年不间断记录。同时我们可以想到,如果我们在单位面积上安装的闪烁体越多、密度越大;所接收的射线粒子也越多,记录就更精密。除闪烁体探测器以外,羊八井站建成的宇宙射线采集方式还有:80平米和地方性簇射探测器;中子堆中中子望远镜;试验型50平米RPC地毯式。
宇宙射线还存在着转化、的过程。除中微子外,几乎所有的高能宇宙射线,在穿过大气层时都要与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞,并转化出次级宇宙线粒子,而超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子,如此下去,一级一级的转化,将会产生一个庞大的。1938年,法国人奥吉尔在阿尔卑斯山观测发现了这一现象,并将其命名为“”。阻挡气层
虽然当宇宙射线到达地球的时候,会有大气层来阻挡住部分的辐射,但射线流的强度依然很大,很可能对空中交通产生一定程度的影响。比方说,现代飞机上所使用的控制系统和导航系统均有相当敏感的组成。一旦在高空遭到带电粒子的攻击,就有可能失效,给飞机的飞行带来相当大的麻烦和威胁。
还有科学家认为,长期以来普遍受到国际社会关注的全球变暖问题很有可能也与宇宙射线有直接关系。这种观点认为,温室效应可能并非全球变暖的惟一罪魁祸首,宇宙射线有可能通过改变低层大气中形成云层的方式来促使地球变暖。这些科学家的研究认为,宇宙射线水平的变化可能是解释这一疑难问题的关键所在。他们指出,由于来自外层空间的高能粒子将原子中的电子轰击出来,形成的带电离子可以引起水滴的凝结,从而可增加云层的生长。也就是说,当宇宙射线较少时,意味着产生的云层就少,这样,太阳就可以直接加热地球表面。对过去20年太阳活动和它的放射性强度的观测数据支持这种新的观点,即太阳活动变得更剧烈时,低空云层的覆盖面就减少。这是因为从太阳射出的低能量带电粒子(即太阳风)可使宇宙射线偏转,随着太阳活动加剧,太阳风也增强,从而使到达地球的宇宙射线较少,因此形成的云层就少。此外,在高层空间,如果宇宙射线产生的带电粒子浓度很高,这些带电离子就有可能相互碰撞,从而重新结合成中性粒子。但在低空的带电离子,保持的时间相对较长,因此足以引起新的云层形
此外,几位美国科学家还认为,宇宙射线很有可能与生物物种的灭绝与出现有关。他们认为,某一阶段突然增强的宇宙射线很有可能破坏地球的,并且增加地球环境的,导致物种的乃至于灭绝。另一方面,这些射线又有可能促使新的物种产生突变,从而产生出全新的一代。这种理论同时指出,某些生活在岩洞、海底或者以下的生物正是由于可以逃过大部分的辐射才因此没有灭绝。从这种观点来看,宇宙射线倒还真是名副其实的“宇宙飞弹”。人类仍然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的,但普遍认为它们可能来自爆发、来自遥远的活动星系;它们无偿地为地球带来了日地的宝贵信息。科学家希望接收这些射线来观测和研究它们的起源和宇观环境中的微观变幻。
宇宙射线的研究已逐渐成为了天体物理学研究的一个重要领域,许多科学家都试图解开宇宙射线之谜。可是一直到现在,人们都并没有完全了解宇宙射线的起源。一般的认为,宇宙射线的产生可能与超新星爆发有关。对此,一部分科学家认为,宇宙射线产生于超新星大爆发的时刻,“死亡”的恒星在爆发之时放射出大能量的,射向宇宙空间;另一种说法则认为宇宙射线来自于爆发之后超新星的残骸。
不管最终的定论将会如何,科学家们总是把极大的热情投入到宇宙射线的研究中去。关于为什么要研究宇宙射线,罗杰·柯莱在其著作《宇宙飞弹》作出了精辟的阐释:
“宇宙射线的研究已变成的重要领域。尽管宇宙射线的起源至今未能确定, 人们 已普遍认为对宇宙射线的研究能获得宇宙绝大部分奇特环境中有关过程的大量信息:、类星体以及围绕中子星和由流入物质形成的沸腾转动的的知识。我们对这些天体物理学客体的理解还很粗浅,当今宇宙射线研究的主要推动力是渴望了解大自然为什么在这些 天体上能产生如此超常能量的粒子。”
出于对宇宙射线研究的重视,世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究。前苏联、日本、中国、美国、法国等国家相继建立了宇宙射线观测站。虽然宇宙射线的起源尚无定论,但科学家们仍然逐步了解了宇宙射线的种种特性,以及对地球和人类环境的影响。1903年,(Ernest Rutherford,)(左图)和库克(H.L.Cooke)研究过这个问题。他们发现,如果小心地把所有放射源移走,在中每立方厘米内,每秒钟还会有大约十对离子不断产生。他们用铁和铅把验电器完全屏蔽起来,离子的产生几乎可减少十分之三。他们在论文中提出设想,也许有某种贯穿力极强,类似于的辐射从外面射进验电器,从而激发出二次放射性。
1909年,(Wright)为了搞清这个现象的缘由,在加拿大(Ontario)湖的冰面上重复上述实验,发现游离数略有减小。
1910年,法国的(Father Theodor Wulf)在巴黎300米高的塔顶上进行实验,比较塔顶和地面两种情况下残余电离的强度,得到的结果是塔顶约为地面的64%,比宇宙射线他预计的10%要高。他认为可能在大气上层有γ源,也可能是γ射线的吸收比预期的小。
年,格克耳(Alfred Gockel)在的苏黎世让气球把电离室带到4500米高处,记录下几个不同高度的放电速率。他的结论是:“辐射随高度的增加而降低的现象……比以前观测到的还要显著。”
这种源的放射性与当时人们比较熟悉的放射性相比具有更大的穿透本领,因此人们提出这种放射性可能来自地球之外——这就是宇宙射线最初的迹象。
物理学家(Victor Franz Hess,)是一位气球飞行的业余爱好者。他设计了一套装置,将密闭的吊在气球下,电离室的壁厚足以抗一个大气压的压差。他乘坐气球,将高压电离室带到高空,的指示经过直接进行记录。他一共制作了十只侦察气球,每只都装载有2~3台能同时工作的电离室。
1911年,第一只气球升至1070米高,在那一高度以下,辐射与海平面差不多。翌年,他乘坐的气球升空达5350米。他发现离开地面700米时,有些下降(地面放射性造成的背景减少所致),800米以上似乎略有增加,而后随着气球的上升,电离持续增加。在1400米~2500米之间显然超过海平面的值。在海拔5000米的高空,辐射强度竟为地面的9倍。由于白天和夜间测量结果相同,因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射,而是宇宙空间。
赫斯认为应该提出一种新的假说:“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。”1912年赫斯在《物理学杂志》发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射”的论文。
赫斯的发现引起了人们的极大兴趣,从那时开始,科学界对宇宙射线的各种效应和起源问题进行了广泛的研究。最初,这种辐射被称为“赫斯辐射”,后来被正式命名为“宇宙射线”。当时,许多物理学家怀疑赫斯的测量,并认为这种作用不是来自太空,而是起因于地球物理现象,例如组成地壳的某种物质发出的放射性。现在认为,宇宙线是来自的高能粒子流的总称。
1914年,德国物理学家霍斯特(Werner Kolhorster,)将气球升至9300米,游离电流竟比海平面大50倍,确证了赫斯的判断。
1922年,美国科学家密立根(Robert Andrews Millikan,)(左图)和玻恩(I.S.Bowen)将这些实验拿到55000英尺的高空去做,为了解决这种辐射的来源,他们先是在高山顶上测量,后来又把装有验电器和电离器的不载人的气球升到高空来测量大气的。
1925年夏,密立根和助手们在群山中的Muir湖(缪尔湖)和Arrowhead湖(慈菇湖)的深处做实验,试图通过测量电离度与湖深的变化关系来确定宇宙射线的来源,之所以选择这两个湖,是因为它们都是由雪水作为水源,可以避免放射性污染;而且,这两个湖相距较远,高度相差6.675英尺,这样可以避免相互干扰和便于比较。
日,国家科学院在的Madison召开会议,密立根报告了测量的结果,他的结果表明,这些射线不是起源于地球或低层大气,而是从宇宙射来的,密立根同意当时大多数人的观点,认为宇宙射线是一种高频,其频率远高于,是后者平均频率的1000倍。他认为,这种射线的穿透力既然比最硬的γ射线还强许多,当然不会由带电粒子组成。如果假定宇宙射线真是像那样的带电粒子流,那它能穿透相当于6英尺厚度铅块的穿透力,将使这些粒子具有当时难以想像的高能量。如果假定宇宙射线由(即电磁辐射的量子)组成,那么宇宙射线辐射到,其飞行路线将不受地磁的影响;相反,如果宇宙射线是由带电粒子组成,则它将肯定受到的影响,飞到高纬度地区的宇宙射线带电粒子将多于低纬度的地区,即有“纬度效应”(latitude effect),而密立根的测量结果表明,宇宙射线来自四面八方,不受太阳和银河系的影响,也不受大气层或地磁纬度的影响。
1927年,斯科别利兹(Dimitr Skobelzyn)利用云雾室摄得宇宙射线痕迹的照片,根据径迹在云雾室里的微小偏转,第一次确认了宇宙线粒子径迹。
年,荷兰物理学家克莱(J.Clay,)在从荷兰到印度尼西亚的旅行中,发现了纬度效应的踪迹——靠近处宇宙射线强度比较低。博思(Walther Bothe,)提出的符合计数法是在盖革计数器的基础上发展起来的,他所做的革新是利用两个计数管,使得只有电离碰撞在两个计数管中同时发生时,这两个计数管才会计数。他利用符合法来判断能量和对光子和电子的每一次碰撞是否都有效,或者说这些定律是否是作为一种统计平均才成立。为了利用计数器研究被散射的和反冲电子之间是否符合,他与盖革考察了单个的,得到的结论是:能量和动量守恒定律对光子和电子之间的每一次碰撞都是有效的。从此,符合法在宇宙线的研究中得到了广泛应用。1930年前后,宇宙线领域里的一些重要发现几乎都和符合法分不开。符合法的发明也为、和超声波等方面的研究提供了有效工具。博思与玻恩共同分享了1954年度。1931年秋季,在罗马召开的国际核物理会议上,物理学家们向密立根提出的宇宙射线的假说发起了公开的挑战。意大利物理学家(Bruno Benedetto Rossi,)(右图)在分析大量实验数据的基础上提出:从海平面观察到的宇宙线,本质上是由能量非常高的带电粒子组成;从强磁场使其偏转显示的结果来看,它们的能量大约高于几十个亿电子伏,远大于密立根的估计值。这些带电粒子也许是在大气层中,由宇宙初始的高能产生的,但这种γ辐射(即光子)的能量远远高于密立根所说的“原子构造”时释放的能量。还有第二种可能,即宇宙线中观察到的高能粒子就是最初的宇宙辐射,或者至少是它有意义的一部分。
密立根让研究生安德逊利用强磁场中的,直接测量宇宙射线的能量,但安德逊的工作却否定了密立根的假说,还导致了的发现。
1932年,C.D.安德森(Carl David Anderson,)(左图)发现了正电子,这是宇宙射线研究的第一项引人注目的成果。
C.D.安德森是物理教授密立根(R.A.Millikan)的学生,从1930年开始跟密立根做宇宙射线的研究工作。从1930年起C.D.安德森负责用云室观测宇宙射线。安德森采用一个带有非常强磁铁的来研究宇宙射线。他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场,并快速拍下粒子径迹的照片,然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。日,C.D.安德森在照片中发现一条奇特的径迹,这条径迹和负电子有同样的偏转度,却又具相反的方向(右图),显示这是某种带正电的粒子。从判断,又不可能是质子。于是他果断地得出结论,这是带正电的电子。预言的正电子就这样被安德森发现了。
当时C.D.安德森并不了解狄拉克的电子理论,更不知道他已经预言过正电子存在的可能性。狄拉克是在他的电子理论中作出这一预言的。从他的可以看出,电子不仅应具有正的能态,而且也应具有负能态。他认为这些负能态通常被占满,偶尔有一个态空出来,形成“”,他写道:“如果存在空穴,则将是一种新的,对来说还是未知的粒子,其质量与电子相同,电荷也与电子相等,但符号不同。我们可以称之为。”他还预言:“可以假定,质子也会有它自己的负态。……其中未占满的状态表现为一个。”关于反质子的预言,到1945年才由西格雷(Emilio Segrè)证实。英国物理学家(Baron Patrick Maynard Stuart Blackett,)从1921年起进行改进威尔逊云室照相技术以研究。1924年,他用云室照片首次成功地验证了人工轻,即氦-14核俘获α粒子变为氧-17。1925年,他创制了云室照相受自动计数器控制的装置。在C.D.安德森发现正电子后的短短几个月,布莱克特就用他拍摄的正负电子成对产生过程的宇宙线径迹照片有力地证实了正电子的存在。
由于宇宙射线和正电子的发现有密切联系,将1936年诺贝尔物理学奖授予这两个相关项目的赫斯和安德森,而布莱克特因改进威尔逊云室以及由此在核物理领域和宇宙射线方面作出的一系列发现,获得了1948年度诺贝尔物理学奖。美国物理学家(Arthur Holy Compton,)(右图)因发现(也称“康普顿散射”)于1927年获诺贝尔物理学奖。他的主要兴趣是研究,他预见核能会给人类带来巨大的利益,为了充分利用核能,康普顿决定先研究宇宙射线,计划在1932年对地磁纬度不同和高海拔的地方,进行宇宙射线强度等方面的测量,康普顿组织了6个远征队,到世界各地的高山、赤道附近低纬度区等进行了广泛测量,以便对初始的宇宙射线到底是光子还是带电粒子作出合理的判断,康普顿本人主持了美国中西部的落矶山脉以及欧洲南部的阿尔卑斯山脉、澳大利亚、新西兰、和加拿大等地的两个远征队。
日,康普顿开始了行程5万余英里,遍历五大洲,跨越赤道5次的远征,远征开始时,康普顿倾向于接受密立根的(光子的)假说,在广泛测量之后,他的观点有了根本性的变化,他断定:海平面的宇宙射线强度可以相当满意地表示为只是地磁场倾角的函数;宇宙射线的强度随高度连续地增大,密立根所断言的在9000米处有最大值并不存在。9月份以后,康普顿陆续收到60多位科学家在分布范围极广的69个观测站测量到的数据,反映了纬度从北78°到南46°、经度从东175°到西173°这个地理的范围内,宇宙射线强度的分布情形,康普顿宣布宇宙线存在纬度效应,并认为宇宙射线是带电的高能粒子。
密立根在1932年也进行了范围较广泛的观测。一位年青物理学家内赫(H.V.Neher)发明了一种高灵敏度的自动记录。空军的负责人同意密立根使用轰炸机,可将测量仪器带到8000多米高空。9月底,密立根在气象署的帮助下利用气球到作了测量。如果宇宙射线真是带电粒子流,密立根应当有条件得到康普顿相同的结论的,但他们由观测所得到的结论却完全不同(左图为密立根发表的文章)。1932年12月底,美国物理学会在新泽西州大西洋城(Atlantic City)召开会议,密立根和康普顿这两位获得者就宇宙射线的本质进行了激烈的争论。康普顿在会议上报告:不同纬度处宇宙射线强度有明显不同,说明初始宇宙射线有带电粒子的特征,并提出了支持这种观点的三种实验。密立根在大西洋会议上宣读了内赫跨越赤道航行的测量结果,没有发现纬度效应。由于双方都宣称自己有实验为证,无法统一思想,但大多数物理学家已经开始转向承认康普顿的观点。
日,由两名勇敢的驾驶员(Albert W. Stevens和Orvil A. Anderson)驾驶探测者2号氦气球(体积为113000立方英尺)上升到官方记录的22066米的高空,收集了大气、宇宙线和其他数据。
美国加利福尼亚理工学院的内德梅耶(Seth Neddermeyer,)(右图)和安德森(Carl D. Anderson)1934年提出假设:具有高度贯穿力的踪迹是质量在电子与质子之间的粒子的踪迹。(左图为安德森与内德梅耶)
1936年,他们在宇宙射线中发现了一种带单位正电荷或负电荷的粒子,质量为电子的206.77倍,人们以为它就是1930年预言的,称它为,后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用,是一种轻子,所以改名为。
1938年,奥格尔(Pierre Auger,)(右图)发现了广延空气簇射。簇射是由原始高能粒子撞击产生的次级。他发现簇射的能量高达 1015 电子伏特,即当时已知的一千万倍。
日,一架比奇AD-17双翼飞机在海拔21050英尺高空飞越南极,为美国探险队测量宇宙线。
1946年,物理学家罗西(Bruno Rossi)与查才品(Georgi Zatsepin)领导的小组进行了首次空气簇射结构的实验(右图)。研究小组创建了首个探测空气簇射的相关探测器阵列。
1946年,两位英国科学家(George D.Rochester)和(Clifford C.Butler,)拍了许多云雾室事件的照片,在其中一张照片中,发现了些形状象字母V的径迹。只有承认质量近似为494MeV/c2 的粒子在飞行中衰变成二个时生成这些径迹,才能对此作出解释。人们确信存在一种新的粒子,根据其径迹形状,就叫它V粒子(左图)。这种V粒子现在叫作K0粒子,这就是后来被称为的一系列新粒子发现的开始。
日,物理学家波默兰茨(Martin Pomerantz)宣布放飞了4个携带宇宙线探测仪的气球(左图),在至少127000英尺的高度越过了。
1947年,英国的(Cecil Frank Powell,)等人创造了将核乳胶用气球送到高层空间去记录宇宙线的方法,在安第斯山地区从宇宙射线中发现了汤川秀树1930年所预言的π介子,质量约为电子质量273倍,它与原子核之间有很强的相互作用,称为带电π介子。π介子存在的时间仅有两亿分之二点五秒,之后便分裂为μ介子,μ介子存在时间相对较长,为百万分之一秒,并以每秒钟上万公里的速度飞行。
汤川秀树与鲍威尔分别于1949年和1950年获得诺贝尔物理学奖。
1948 年,剑桥大学的天文学教授(Fred Hoyle,)(左图)与(Hermann Bondi)、(Thomas Gold)一起提出了“稳恒态宇宙理论”,该理论认为宇宙在大尺度上,包括任何时候和任何地方,都是一样的。在这个“”宇宙中没有开始,没有结束。星系在各个方向上简单地飞离,就像烤蛋糕时蛋糕上的葡萄干随着蛋糕膨胀而远离。为了填补星系退行后留下的虚空并保持宇宙总的外观,他们假定物质在星系际空间无中生有地创生,物质的创生率(每立方公里每年产生一个粒子)恰好用来形成新的星系。
1948年,伽莫夫(George Gamow,)和阿尔法(Ralph Asher Alpher,1921-)也提出了宇宙是从一个原始状态演化而来的理论,并请著名核物理学家贝蒂(Hans Bethe)一起署名,这一理论被称作αβγ(Alpher,Bethe,& Gamow)理论,霍伊尔在1952 年把它称为“”(the Big Bang),但他认为宇宙不会在一声爆炸中产生。
1949年,费米(Enrico Fermi,)发表宇宙射线理论,尝试以超新星爆发的磁力冲击波来解释宇宙射线的粒子加速机制,但未足以解释最高能宇宙射线的存在。
1962年,的林斯里(John Linsley)与同事,利用火山农场10平方公里的空气簇射探测器组探测到一个能量估计为 1020 电子伏特的宇宙射线。
1965年,美国贝尔电话实验室的(Arno Penzias,1933-和(R.W.Wilson)无意中发现了大爆炸理论预言的。他们本想要使用一根大型通信天线进行的实验研究,但因不断受到一个连续不断本底噪声的干扰,使得实验无法进行下去。那个噪声的波长为7.35厘米,相当于3.5k温度的,其的程度极高,而且与季节变化无关。几乎一年,他们想尽办法跟踪和除去这个噪声但丝毫不起作用,便打电话给的罗伯特·迪克(Robert Henry Dick,1916~),向他描述遇到的问题,希望他能作出一种解释。迪克马上意识到两位年轻人想要除去的东西正是迪克研究组正在设法寻找的东西——残留下来的某种。彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年诺贝尔物理学奖。
1966年,格雷森(Kenneth Greisen)、查才品(Georgi Zatsepin)和古兹文(Vadem Kuzmin)认为,高能宇宙线与相互影响减小了能量,因此宇宙射线的能量应低于5 x 1019电子伏特。(右图为卫星记录的)直接探测法——1014eV以下的宇宙射线,通量足够大,可用面积约在平方公尺左右的粒子探测器,直接探测原始宇宙射线。这类探测器需要或高空气球运载,以避免大气层吸收宇宙射线。
间接探测法——1014eV以上的宇宙射线,由于通量小,必须使用间接测量,分析原始宇宙射线与大气的作用来反推原始宇宙射线的性质。当宇宙射线撞击大气的原子核后产生一些、轻子及光子(γ 射线)。这些次级粒子再产生更多次级粒子,直到平均能量等于某些临界值,次级粒子的数目达到最大值,称为簇射极大,在此之后粒子逐渐衰变或被,使次级粒子的数目逐渐下降,这种反应称为“空气簇射”。地球地表的主要辐射源是放射性矿物,空气簇射的次级粒子是高空的主要辐射源,海拔20公里处辐射最强,100公里以上的则以太阳风及宇宙射线为主。
空气簇射的成份主要以轻子居多,重子最少。探测空气簇射有三种方式:地面(及地下)阵列、契伦可夫望远镜、萤光望远镜。
地面(及地下)阵列通常需要多个带电粒子探测器组成,分布于广大平坦的区域,次级粒子才能有充足的取样,可全年操作。契伦可夫望远镜可探测由次级粒子产生的契伦可夫光,望远镜可探测带电粒子游离氮气产生的萤光,这两种望远镜只能在夜间操作且需避开城市光源,平均操作时间只有10%。
宇宙射线为来自太阳系以外的高能量粒子,能量约从109eV to 1020eV以上。在靠近地球的太空中,每秒每平方公分约有一个宇宙射线穿过。宇宙射线的主要成份是质子,及其它核种从氦核到铁核以上,甚至微量的镧系元素。人造其最高能量约为1013eV。右图显示了宇宙射线的能谱,横跨12个数量级的能量。能谱上有两个有重要的转折点,1015eV称为膝点(knee),3′1018eV称为踝点(ankle)。极高能宇宙射线(Ultra High Energy Cosmic Rays: UHECR)主要研究1018eV以上的宇宙射线。为什么会有这么高的能量?它们的来源在那里?它们是什么粒子?这些都是宇宙射线物理学家的研究课题。
UHECR的研究经费在美国超导对撞机(Superconducting Super Collidea)计划终止后快速增加,并成为天文粒子物理学研究的三大主流之一(另两项为与暗物质)。
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