第14章 世界之最(1)

太空中最大的光学仪器

对于天文观测来说，大气是令人讨厌的，它限制了人们的眼界。

人造地球卫星上天以后，天文学家和物理学家第一次看到了天文观测的新希望。因为人们把天文望远镜搬到地球大气之外的地球轨道上窥测天涯宇角，是完全可能的了。美国国家宇航局研制的空间望远镜是人类送上太空的最大的光学仪器。

空间望远镜全系统主要由望远镜、观测仪器和辅助系统三部分组成。

观测仪器有天体微光照相机、广角照相机、天体摄谱仪等。望远镜所获得的图像、测量数据、光谱分析资料都可以在空间望远镜上直接转换成数字形式，经卫星再传送到地面的宇宙控制中心。

空间望远镜进入地球轨道以后，可以通过磁力扭矩和反动轮控制它的方位。磁力扭矩一经接通电流便立即磁化，望远镜的方位就完全按照地球的磁场方向自动调整。每隔5年，空间望远镜就得进行一次大修，那时技术人员乘坐航天飞机，在轨道上把它装进机内、带回地面；修好后，靠航天飞机再把它送回轨道。

空间望远镜的分辨本领要比地面上同样的望远镜强10倍以上，可以观测到暗50倍、远7倍的暗弱天体。无疑，太空中这台最大的望远镜用于天文观测，将获得更多的资料，对于研究恒星的诞生和死亡、星系的演化，以及揭示类星体、黑洞、宇宙射线大爆发等“宇宙之迷”的奥秘，将作出重大贡献。

最大的望远镜

望远镜的大小，主要是用望远镜的口径来衡量的。为了对天体作更仔细的研究和观测，为了发现更暗弱的天体，多年来人们一直在增大望远镜的口径上下功夫。但是，对不同的望远镜在口径上有不同的要求。现在世界上最大的反射望远镜，是1975年苏联建成的一台6米望远镜。它超过了30年来一直称为“世界之最”的美国帕洛马山天文台的5米反射望远镜。它的转动部分总重达800吨，也比美国的重200吨。

现在世界上最大的折射望远镜，是在德国陶登堡天文台安装的施密特望远镜，改正口径135米，主镜口径2米。德国这台折射镜也超过了美国最大的施米特望远镜。美国在望远镜上的两个“世界之最”被人相继夺走了。1978年，美国一台组合后口径相当于45米的多镜面望远镜试运转。

这台望远镜由6个相同的、口径各为18米的卡塞格林望远镜组成。6个望远镜绕中心轴排成六角形，六束会聚光各经一块平面镜射向一个六面光束合成器，再把六束光聚在一个共同焦点上，多镜面望远镜的优点是：口径大，镜筒短，占地小，造价低。

最罕见的闪电

闪电是一种常见的自然现象，全世界每秒钟约发生100次闪电。我们常见的闪电叫线状闪电，明亮耀眼的闪电通道，犹如枝杈丛生的一根树枝，婉蜒曲折，在隆隆的雷声中从云中伸向地面。

除了线状闪电之外，还有其他类型的闪电，例如带状闪电、球状闪电和联珠状闪电。带状闪电与线状闪电相似，只是亮的通道比较宽，看上去好象一条较宽的亮带。球状闪电一般发生在线状闪电之后。它是一个直径为20厘米左右的火球，发出红色或桔黄色的光，偶然发出美丽的绿色。球状闪电一般维持几秒钟。火球在空中随风飘移，喜欢沿物体边缘滑行，还能穿过缝隙窜入室内。球状闪电会发出嘶嘶的声响，当它行将消失时会发出震耳的爆炸声。1962年7月22日傍晚，几位气象工作者正在泰山顶上工作，突然一声巨响，一个直径约15厘米的殷红色火球突然从窗户中窜入西厢房内，在室内以2-3米／秒的速度轻盈飘移，几秒钟后经烟囱逸出。在它离开烟囱的一瞬间，发生了爆炸，使室内的油灯熄灭，暖水瓶胆被震为碎片。火球经过的床单上，留下了焦痕。烟囱也被击坏。

各种闪电中，最罕见的闪电是联珠状闪电，世界上绝大多数人都未曾见过它。这种闪电形如一串发光的珍珠从云底伸向地面。

1916年5月8日在德国德累斯顿城市的一所钟楼上空，曾发生过一次联珠状闪电，不少人看到了它，并作了记载。人们首先看到了一个线状闪电从云底伸下来，击中钟楼；其后，人们看见线状闪电的通道变宽，颜色也由白变为黄色。

不久，闪电通道渐渐变暗，但整个通道不是在同时间均匀地变暗，因此明亮的通道变成了一串珍珠般的亮点，从云底垂挂下来，美丽动人。人们估计亮珠有32颗，每颗的直径有5米，亮珠之间的联线隐约可见。之后，亮珠逐渐缩小，形状变圆；最后，亮度愈来愈暗，终于完全熄灭。

由于联珠状闪电出现的机会极少，维持的时间也很短，因此，人们对这种闪电的成因研究得很少，形成的原因尚不清楚。

最大的粒子加速器

加速器是一种能人工把带电粒子的束流加速到高能量的装置。它是研究原子核和基本粒子的重要设备，近年来，在工农业和医疗卫生事业中的应用也日益广泛。按粒子运动的轨道形状，可分为直线型和圆型加速器两大类，前者有高压倍加器、静电加速器和直线加速器，后者有电子感应加速器、回旋加速器、质子同步加速器等。

目前世界上最大的粒子加速器是美国费密国立加速器实验室的一台质子同步加速器，它可以把质子加速到500GeV（1GeV代表10亿电子状）。

束流强度已达2×1013质子／脉冲。实际上这台大加速器是由4台加速器组成：750keV的预注入器，200MeV的直线加速器，8GeV的快速增强器和500GeV的主加速器。预注入器也叫高压倍加器，是用来产生质子束流的低能强流加速器。质子从这里开始加速，把从离子源中引出的负氢离子加速到750keV；直线加速器，它由9节组成，总长约150米，安装在地下隧道之中，它的作用是把预注入器中产生的束流加速到200MeV；束流从直线加速器出来，经中能输运段，就来到快速增强器。这也是一个同步加速器，每秒钟可加速15次。负离子注入时穿过一层薄膜，就剥去外层电子而成为质子。经多次加速后能量可达8GeV。然后引出束流向主加速器注入。主加速器直径2千米，是截面为马蹄形的混凝土隧道，铺设在深约7米的地下。

它的作用是把质子加速到高能量，完成最后的加速。正常运行能量为400GeV，最高能量达500GeV。计划在主加速器上再造一个超导主加速器环，预计能量可提高到1000GeV。

第一个现代物理实验室

19世纪末叶，物理学进入了一个新的发展时期，推动物理学发展的物理实验，同时从经典物理学发展时期以个人为主辅以简单仪器进行研究的形式，发展到近代物理学研究中集体分工合作并配备高级精密仪器的形式。这种发展，导致现代物理实验室的出现。

最早的现代物理实验室是英国的卡文迪许实验。不少人以为这个实验室是着名的英国科学家、引力常数的测定者、确定水的组成并发现氢气的亨利·卡文迪许建造的，其实不是这么回事。当卡文迪许实验室建成时，亨利·卡文迪许离开人间已有半个多世纪了。卡文迪许实验室是在英国公爵德冯夏尔·卡文迪许的资助下建成的。这位同姓的公爵是亨利·卡文迪许的亲戚。

卡文迪许实验室于1872年破土动工，两年后就在剑桥自由学校巷里建成。说也奇怪，这个物理实验室竟是在一位着名的理论物理学家——麦克斯韦的领导下筹建的，他还是它的第一任主任。为了给实验室增添仪器，麦克斯韦拿出了自己不多的积蓄。

卡文迪许实验室它不仅出成果，而且出人才。许多有成就的物理学家都曾在这里受到过现代物理学的熏陶。领导卡文迪许实验室的都是成就辉煌、赫赫有名的现代物理学大师。继麦克斯韦之后，任卡文迪许实验室主任的有：现代声学和光学的奠基人瑞利，电子的发现者J·J·汤姆逊（他在28岁时就当上了主任），现代原子核物理学之父卢瑟福，以科学研究组织工作见长的W·L·布拉格，现代固体物理的先驱莫特。除麦克斯韦之外，都是诺贝尔奖金获得者。

引力波的最早检验

人们所熟知的万有引力的本质是什么？牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波。电荷被加速时会发出电磁辐射，同样，有质量的物体被加速时就发出引力辐射。这是广义相对论的一项重要预言。但引力波那么微弱，茫茫宇宙，到哪里去寻找它呢？

1959年美国马里兰大学教授韦伯发表了证实引力波存在的消息，这引起世界物理学界一阵狂热的激动。事情是：韦伯等人制造了6台引力波检波器，分别放在不同地点，进行长期的检波记载。结果发现在各台检波器上都记录到一种相同的、不规则的“扰动”，并证明它并不是由声学振动、地震、电磁干扰或宇宙线干扰等引起的。因此他们认为，“不能排除，这就是引力波”。之后许多国家的科学家采用各种方法企图证实宇宙深处的同样“来宾”，但终未得到肯定的结果。于是激动之余，便只能叹息罢了。

以后射电天文学的蓬勃发展给物理学家们开辟了新的探测途径。射电望远镜的探测本领比光学望远镜强得多。美国天体物理学家泰勒等人在六年前，靠着射电望远镜发现了一个双星体系——脉冲射电源（PSR1913+16）。按照广义相对论计算，双星相互绕转，发出引力辐射，它们的轨道周期就因此而变短，（PSR1913+16）的变化率为-26×10-12。而在前年，他们也是采用精密的射电仪器，由实验得到观察值为-（32±06）×10-12，与理论计算值在误差范围里正好符合。这可以说是引力波的第一个定量证据。

上述消息传开，引起世界物理学界更大的激动。科学家们信心倍增，为欢迎引力辐射这位宇宙“娇客”，将开展更为广泛的探索研究。因为对引力波的探测不仅可进一步验证广义相对论的正确性，而且将为人类展现出一幅全新的物质世界图景，茫茫宇宙，到处有物质，到处有引力辐射。约100年前对电磁波的验证，使人类从此进入电子时代，取得惊天动地的巨大成就；那末，让我们设想一下，要是有朝一日，引力波被完全确证，人类社会将会发生怎么样的深刻变化呢？

最强的人工磁场

磁场有很大的用处，如仪表和喇叭里需要永久磁铁，高能加速器中带电粒子需要靠磁场帮助加速，电动机和发电机需靠磁场才能转动和发电……在多数情况下，人们希望磁场的强度越大越好。

过去，人工制造的永磁材料磁性都不太强。从60年代到70年代，人们相继发现将钐、镨等稀土元素与金属钴和钛等稀土元素与金属铁合成的永磁材料磁性特别强。用这种稀土钴和稀土铁永磁材料做成的永久磁铁是迄今为止磁性最强的永久磁铁，已在工业、农业、宇航等部门得到了应用。

尽管如此，磁性最强的稀土钴和稀土铁永久磁铁，即使磁路设计得相当合理，其磁极附近的表面磁场强度也不过80万安每米左右，远远不能满足一些特殊的需要。

目前，人们应用的电磁铁，可以获得比永久磁铁强得多的磁场强度，但要依靠电磁铁却很难获得800万安每米的磁场强度。1961年世界上第一台超导磁体诞生了。这种磁体主要是用超导材料做成的。在低于一定温度时，超导材料会突然失去电阻，呈现超导状态。利用超导材料这一性质，可以在超导体中产生很大的电流，从而产生很强的磁场，而消耗的电能却很少。十几年来，超导磁体越做越大，超导磁场越做越强。现在，1200万安每米以上的超导磁体的制造技术已经相当成熟，1600万安每米以上的超导磁体也已制成。这样规模的超导磁场是迄今为止世界上能实用的最强的人工稳恒磁场了。随着优质超导材料的出现，超导磁场的强度可望得到进一步提高。例如，1974年新发现了一种名叫铅钼硫化合物的第二类超导材料，它的上临界磁场强度可达4800万安每米。

1960年左右，意大利科学家用“爆聚法”获得了非常强的脉冲磁场。到了70年代末，人们用这种方法已经得到了高达16000万安每米的脉冲磁场。

能量最高的对撞机

现在，高能加速器的规模十分巨大，象费米实验室的10，000亿电子伏的质子同步加速器，其圆形轨道已达6000余米。如要继续提高能量，那加速器的占地面积就势必大大增加。譬如，能量达亿亿电子伏的加速器，就要做得象地球一般大了。当然，这是不可能的事。那怎么办呢？制造对撞机是个好办法。

对撞机，顾名思义就是实现两束高能粒子对头碰撞的机器。我们知道，如用一束高能粒子去轰击静止靶，那么高能粒子的能量只有一小部分对于发生相互作用有效，即有效能量很低，而使两束高能粒子对头碰撞，其有效能量就会大得多。例如：两束300亿电子伏的质子对头碰撞，其作用约相当于1束19万亿电子伏的质子去轰击静止的质子；两束200亿电子伏的电子对头碰撞，其作用相当于一束1600万亿电子伏的电子去轰击静止的电子。

显然，从能量的角度来看，对撞机要比普通的高能加速器优越得多，所以对撞机是进行“超高能”实验的主要手段之一。

目前，世界上能量最高的对撞机要算德国汉堡电子同步加速器中心的电子－正电子对撞机（PETRA）。它于1976年1月动工，1979年4月正式建成。目前能量已达19GeV×19GeV，约相当于普通高能加速器能量的1444万亿电子伏。

西欧核子研究中心的ISR是目前世界上最大的质子－质子对撞机。

能量可达314GeV，约相当于普通高能加速器能量的21022亿电子伏正在建造、计划和酝酿中的能量最高的对撞机有：西欧核子研究中心于1983年9月13日动工建造的电子－正电子对撞机（LEP），后期的估计能量可达200GeV×200GeV，它相当于能量为16亿亿电子伏的普通高能加速器。苏联计划建造的UNK加速器的三期工程完成后，可进行能量为3000GeV×3000GeV的质子－质子对撞实验，约相当于普通高能加速器能量的19亿亿电子伏。目前，美国高能物理界正在酝酿建造一台约20000GeV×20000GeV的质子－质子对撞机，它相当于普通高能加速器的能量，竟可高达85亿亿电子伏。

利用对撞机，能获得极高的能量。可是，在对撞机上，进行的实验毕竟有限，所以它和高能加速器应是相辅相成的。对撞机只不过是高能加速器的补充而不是代替。

最小的电阻