（一）：奇怪的魔炉
“在一个风雪交加的夜晚，当你从寒冷的户外进入屋里，你最想做的一件事是什么？”
“我可能会找个温暖的角落坐下，火炉或暖气旁边，要么躲到被窝里去。”
“假设火炉里没有火呢？”
“那我就找些燃料，木头或煤什么的，把火点燃。”
“火点燃后你是不是感觉温暖一些呢？”
“是的。如果我还感到冷，我就会向炉子里添入更多的柴火。”
“有了更多的燃料，就会使炉子里的温度不断上升，提供给你更多的温暖吗？”
“我想是的。噢，对了，如果温度上升的太高，炉壁也许会烤化的。”
“好了，现在让我们设想有一个炉壁永远烤不化的炉子，可以让炉子里的温度任意升高。”
“啊，这种炉子只有神话中的魔鬼或巫师才拥有。”
“现在让我们给这个魔炉一个初始状态，比方说，炉膛的体积为１００升，加热前的温度为２０℃。对了，你知道温度是怎么回事吗？”
“我的课本上说，当物体被加热时，它的原子或分子会不安分起来，不停地四处运动。温度越高，这些粒子的运动速度就会越大。温度只不过是表明原子或分子运动的能量多少而已。”
“你学得不错。现在让我们把炉膛里的空气全部抽光，让炉子里什么也没有。‘什么都没有’的意思是指没有任何物质。”
“你是说炉子里面是真空的？”
“对。现在开始加热，猜猜看会发生什么事情？”
“我猜想炉子里将不再是真空了。”
“完全正确。这时组成炉膛的原子会不断地向四周辐射电磁波，其中包括了光子，充满整个炉膛。”
“喂，等一下，什么叫光子，它和光有什么联系吗？”
“光子是一个不容易被人们理解的概念。我想你已经知道，光是一种电磁波。虽然日常生活中，我们感受到的光似乎是连续不断地照耀着万物，但实际上，光的传播是以一定的量进行的。也就是说，光是一份一份地落在我们的头上的。只是一份光的量非常微小，运动的速度非常快，使我们不可能察觉这一份光与下一份光的时间间隙。科学家们把一份光叫做一个光子。光子与人们所认识的其它一些粒子，如电子和质子的区别是，它们的质量不同。无论是质子或电子，都有自己的质量，但是光子没有静止质量，但它具有能量。”
“我很难想象有这样的粒子存在。”
“的确，绝大多数人与你一样，也很难想象宇宙中存在着没有质量，但是有能量的粒子。这说明人们更习惯于把这些微观粒子的行为与宏观的世界联系起来，人们往往有一种先入之见，即能量必须是有质量的物体的一部分，而不能单独存在。然而，光子恰巧是一种没有静止质量，但有一定能量的粒子。你也许知道爱因斯坦的著名公式，能量等于质量与光速平方的乘积。在爱因斯坦的物理世界中，一个物体的质量就好像是凝固的能量。因此光子以能量的形式存在也就不奇怪了。”
“我有些明白了。光子既然是运动的能量，它同温度应该有关系吧。”
“是这样。还是让我们回到魔炉中。大量的光子由于温度的升高而产生，可以理解为炉膛中充满着光子气体，而且气体的能量是持续上升的。当炉子里的温度达到６０亿度时，两个拥有很高能量的光子在碰撞时，会无中生有地产生一个正电子和一个电子。”
“什么？电子也有带正电荷的吗？我的物理课本中说电子带负电荷。”
“噢，这就要提到反物质了。在２０世纪３０年代初，美国的罗伯特?米利肯对宇宙射线的研究产生了浓厚的兴趣，他的助手卡尔?安德松为了进行研究，设计了一座大型云室。当粒子穿过云室时，尾部会留下一条像喷气式飞机高空飞行时喷出的羽烟似的痕迹。如果在云室中设置一个磁场，带电荷的粒子在经过时就会发生偏转，轨道呈弯曲状。这样，就可以根据粒子轨道不同的弯曲程度推算出粒子本身的特性，比如它的电性。1932年8月2日清晨，安德松开始了一天的工作，他像往常一样观察云室里拍摄的粒子轨道照片。突然他发现了一种奇特的现象，有一种粒子的痕迹初看上去就像电子的轨道，但是它的弯曲程度又与电子有差异，这种粒子很像带有正电荷的电子。接下来，他又研究了许多的照片，并发现了一些同样轨迹的粒子。当他把这一发现报告给米利肯时，米利肯也感到迷惑不解，他又想给安德松有所解释。于是，他对安德松说那不过是普通的质子的轨迹。但过后不久，米利肯便承认，这种粒子是个重大发现，它的质量与电子一样，但是带有正电荷，安德松发现的是一种新的特殊粒子。于是，安德松给这种粒子命名为正电子。这是人类发现的第一种反物质。此后，各种粒子的反物质相继被人们找到。”
“组成我身体的各种粒子都有反物质吗？”
“当然，如果你与一个反物质的你相撞，你就麻烦了。不过我们生活的世界中，反物质极少，不要担心。”
“那我就放心了。你说的各种粒子也包括光子吗？它可是不带电的。”
“是的，光子也有它的反粒子，即光子本身。当一个粒子接近它的反粒子时，会发生爆炸，互相消耗对方，同归于尽。”
“你是说两个粒子就消失了，什么都没留下来吗？可是我的课本里说，物质是不灭的，它只能从一种形式的物质转化为另一种形式的物质。”
“课本是对的。粒子与它的反粒子相遇时，科学家通常称两者会发生‘湮灭’。举个例子来说，当电子与正电子碰撞时，物质会在爆炸中消失，但同时会有两个光子诞生，也就是说，物质转化为能量的形式了。”
“那么反过来，能量也可以转化为物质的形式喽？”
“你真聪明，我们又回到炉子中了。两个光子在达到很高的能量时，碰撞会产生出一个电子和一个正电子，这就是能量转化为物质的例子。”
“太有趣了，不断地升高炉子的温度，就会产生反物质。如果我给炉子更多的燃料，它里面就会产生越来越多的反物质。”
“理论上是这样。当炉子里的温度达到60亿度时，空间中的物质与能量的转化就达到了一种平衡状态。当两个光子撞击产生电子和正电子时，同时会有一个电子与正电子发生湮灭而生成两个光子。”
“现在，炉子里有电子、正电子，还有光子。”
“还应该加上中微子和反中微子。当一个电子和一个正电子互相湮灭时，一般都是产生两个光子。但在少数情况下，它们会湮灭为一个中微子和一个反中微子。中微子是20世纪50年代发现的，它跟中子一样，不带电荷；它的质量很轻，大概只有电子质量的数万分之一。中微子有一个性质很特殊，它与普通物质的能量交换特别弱，因此它可以穿过较大规模的物体，比方说太阳或地球，但是几乎不会与物质发生反应。”
“真是个怪家伙。”
“好了，现在让我们的魔炉的温度增加到10万亿度。这时，两个光子或一个电子与一个正电子的湮灭可以产生出质子/反质子或中子/反中子对。这个过程已经在大型加速实验室中被人们观察到了。然而质子与中子的命运并不长久，当温度又增加了10倍时，质子和中子这些微观世界里的大家伙被烤‘化’了，取代它们的是夸克和胶子。”
“我在科学杂志上看到过介绍夸克的文章。质子或中子是由3个夸克组成的，而且夸克带的电荷不是整数的。”
“看来你懂得不少微观世界的知识。夸克分两种，一种带2/3个电荷，另一种带1/3个电荷。为了使3个夸克和睦相处在一起，质子中还有另一种粒子，这就是胶子。胶子使夸克紧密地靠在一起，共同组成了一个质子或中子。”
“听起来很奇妙，但人们在实验室里发现胶子和夸克了吗？”
“很遗憾，至今人们还未能将夸克和胶子真正列为可以直接观察的自由粒子。夸克和胶子目前还生活在理论世界里。在科学发展的过程中，有时理论跑在实验的前面，有时又会被实验甩在后面。还是让我们清点一下炉膛里的东西吧，电子、正电子、光子、中微子、反中微子、夸克和胶子。”
“看样子您又打算向炉子里添柴火了。”
“哦，普通的柴火是不可能提供如此高温的。不过既然我们的炉子都是想象的，拥有一种特殊燃料也没什么奇怪的。现在温度计的刻度达到了1万亿亿亿度，这是在实验室中永远也不会产生的温度，因为理论上认为‘此时’时间和空间的概念都将彻底崩塌，科学家是这样说的。”
“原来时间和空间也会被烤‘化’”。
“让我们的魔炉的温度最终停在1亿亿亿亿度。在这个温度下会发生什么，仍是个未知数，也许到了这个温度，所有的粒子都会被烤‘化’，粒子的概念在如此超高温的王国中是没有意义的。”
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