宇宙辐射和物理学中的基本问题
3个月前 作者： 海森堡
宇宙辐射，自从它在大约六十年前被发现以来，已经在物理学的发展中起了很重要的作用。从第一次证实自外层空间来到地球的射线到发现这种辐射中很高能量的粒子，发现具有意想不到的性质的新粒子，到发现自然规律中新的基本对称性，最后到发现星际空间中残余物质和磁场的大量信息，以及关于可能产生宇宙辐射的那些过程的大量信息，这是一个非常有趣的历史过程。但是我不想追随这条历史线索。
我试图把我的讲话仅限于宇宙辐射的知识进展所接触到的或大大推进了的那些物理学基本问题。我在这个讲话中主要关心的是这个非常特殊的物理学领域和成为整个物理学基础的那些基本问题之间的相互作用。在三十年代初，当宇宙辐射在本世纪最重要的物理发现之———正电子的发现——中起了必不可少的作用时，这种相互作用就显示出来了。固然，正电子的发现不是在宇宙线研究中最先作出的。狄拉克在他的电子理论中已预言了带正电的电子的对应物，但是关于正电子的存在的第一个令人信服的证据是安德森、布莱凯特和奥基亚利尼（hialiui）在宇宙辐射中发现的。第一批关于簇射的云室照片（在这张照片上，光子产生了电子和正电子对，而这些粒子当穿过物质时又产生光子）毫无疑问地证实了正电子的存在和狄拉克理论的正确性。不久以后，正电子也在原子核过程中，即在β
衰变中找到了。
关于这个发现的基本重要性，我或许还得稍微多说几句。到那时为止，物理学家们或多或少不自觉地遵循古希腊哲学家德谟克利特的哲学。如果一个人试图把一块物质一次又一次地分割下去，他就会——人们这样推测——最后分到物质的最小部分而告终，这些最小的部分不能再进一步分割了，因此被称为原子。这些原子被认为是物质的不可分的、不能改变的单位，作为构成所有物质的基本单元，而原子（或者如我们今天所说的：基本粒子）应当以它们的相对位置和运动来决定各种各样物质的可见的性质。整个这幅图象，看来似乎合理，却被狄拉克的理论和它的后果——正电子的发现彻底摧毁了。决定性的要害主要不在于存在一种迄今未知的新粒子，——以后还发现了许多新粒子，对于物理学基础并没有严重的影响，要害在于发现了一种新的对称性，即粒子-反粒子共轭，它同狭义相对论的洛伦兹群，也同能量与质量的相互转化密切相关。在非相对论性物理学中，任何一种粒子的数目都是一个运动常数，就象能量和动量一样。在相对论性物理学中，这个数不再是一个合适的量子数了。譬如说，一个氢原子不一定是由质子和电子所组成，它也可以当作是质子、两个电子和一个正电子所组成，尽管后面这种组成仅仅相当于对氢的整个波函数作很小的相对论性的改正。这种状况的后果之一，就是推测在两个粒子的高能碰撞中可以产生大量新粒子，而这些可能性仅受能量、动量、同位旋等守恒定律的限制。又正是在宇宙辐射中，可以检验这种推测。
实际上，在三十年代后期，布劳（u）和瓦姆巴歇尔（Wambacher）在很高的高空曝光的照相底片上发现了所谓的“星”，就是在底片的同一点开始发出许多径迹。显然，一个原子核被一个射来的高能粒子击中，由于碰撞的结果，它发射出许多不同的粒子。解释这些“星”不是简单的事，因为过程的开端可能是原子核中的一种级联，这种级联同众所周知的电子-正电子级联相类似，随后就是某种原子核的蒸发。所以这些结果并不立即证实我在前面作出的推测，即仅由两个粒子的碰撞产生了多数的粒子。但是，随着时间的流逝，宇宙线实验能够得到改进，而在十五年之后，多倍地产生粒子的现象确定不移地实现了。
这些结果意味着“分割”和“组成”的概念只有有限的适用范围。就象相对论中的“同时”概念和量子论中的“位置”和“速度”概念只能在特殊的限制下使用，而当不分青红皂白地用错了地方时就失去意义一样，“分割”和“组成”的概念也只有在特定的情况下才有确定的意义。当一个粒子可以被少量能量分解为两个或几个部分，而粒子的静止质量比这一小份能量来大得很多，这时，也只有这时，人们可以说粒子由这些部分组成，并可分解为这些部分。在所有其他场合，“分割”或“组成”这类词就没有确定意义。而在两个粒子的高能碰撞中，实际发生的事是由动能产生了新的粒子。采取基本粒子的形式，能量变成了物质。但是，“基本”粒子和“复合系统”之间的区分也没有确定的意义。粒子是物理系统“物质”的定态。所有这些很重要而又基本的结果在宇宙线研究中有它们的实验基础。
宇宙线研究的另一个引人注意的结果是1937年尼特迈耶尔（Neduermayer）和安德森发现μ子，即μ介子。这种客体起先被误认为是汤川曾预言过的作为核子间强相互作用的物质对应物的那种粒子。但是不久就弄清楚了，μ子同质子和中子这一类重粒子的相互作用是太小了；μ子不可能承担起原子核中的强相互作用。倒可以说，μ子显得象是电子的较重的哥哥，它同电子的区别仅在于它有较大的质量。μ子的发现并不象正电子的发现那样引起物理学基础发生根本性的变化，但它显示出粒子谱系中的一个有趣的特征。这个谱系被分为两个仅仅微弱地结合在一起的谱项系统，即强子系统和轻子系统。人们从原子光谱已熟悉这种微弱地结合起来的谱项系统。但是，在这两个场合中引起这种分裂的原因是否相似，还是一个没有解决的问题。μ子——加上中微子——组成了宇宙辐射中最有穿透力的部分，因此在确定作为大气高度的一个函数的宇宙辐射强度中起着重要的作用。
我或许还应当提到另一个颇为奇特的情况，在这里μ子也有助于解决一个根根本的问题。德国在大战前夕，相对论不为当权者所认可，特别是运动物体中的时间的延缓被批评为荒谬的和纯理论的思辨。关于相对论可否在大学中讲授的问题，甚至还举行过审判。在这种争论中，有一次我能够指出μ子的蜕变时间应当同它们的速度有关：以接近光速运动的μ子应当比那些以较小速度运动的μ子蜕变得慢一些。——这是相对论的预言。实验结果证实了这个预言；时间膨胀能够被直接观测到，从而为开设相对论课程开辟了道路。所以我对μ子总是怀有感激之情。
战后不久，鲍威耳在布里斯托发现了μ子，它在大多数宇宙线现象中起着很重要的作用。这种客体满足了汤川所表述的强相互作用的物质对应物的全部条件；后来知道，这种粒子不是这类粒子中的唯一的一种，而不过是质量最小的一种强子。不久，差不多在所有高能事件中都发现了它。此外，π子变为μ子和中微子，结果也搞清楚了μ子的来源。
就象μ子一样，π子并没有引起物理学基础发生根本性的变化。它只证实了各种各样的粒子都是成体系的物的各种定态，因它们在基本群的变换中的不同行为而有所不同。这些群要比粒子更为根本。
那时，除了相对论的洛伦兹群，只有同位旋群被认为是基本的。它是在1932年联系着原子核物理而发现的；但首先是通过π子，它的基本特性才被完全了解。关于π子的宇宙线实验证明，同位旋群对于强相互作用是严格对称的，而只有电磁相互作用和弱相互作用破坏这种对称性。只要假设构成粒子港基础的自然定律在同位旋变换下是严格不变的，就可以解释上述结果，而对于这种对称性的偏离是由于不对称的、简并的基态所引起。在固体的量子力学中，类似的情况是众所周知的。
几乎与发现π子同时，在宇宙辐射中也发现了其他一些粒子，它们比π子重，而它们的行为有某种“奇异性”。它们有相当长的寿命，数量级为10 －10 秒，因此它们的径迹可以在云室和乳胶中观测到。但是如果只考虑已知的对称性和相应的量子数（重子数、同位旋、角动量〕，这种长寿命就不能理解。人们所预期的寿命要比这短得多，就此而论，它们的行为是奇异的。正确的解释是1952年由派司（Pais）作出的，他引入了一个叫做奇异性的量子数和相应的对称性（或变换性）。这样，宇宙线研究引入了一个新的对称群；并且因为如我在前面所指出的，群比粒子更重要，这又是对物理学基本问题一个很根本的贡献。
当时大多数物理学家普遍同意，如果寿命很短的客体可以被观测到，就可以发现另外的一些粒子。这些粒子不过是成体系的物的一些定态，因此人们可以预期有许多不同的粒子，它们大多具有很短的寿命。这样的客体只能作为所谓共振态而被观测到，而为了这个目的，需要有比宇宙线观测所能提供的更好的统计资料。对于粒子物理学家说来，幸运的是第一批大加速器在当时已经建成并开始运转，这些加速器就是：布鲁克海文的同步稳相加速器、伯克利的高能质子加速器和日内瓦欧洲原子核研究中心（CERN）的质子同步加速器。在此后的一个长时期内，粒子物理学的重要结果都是用大加速器得到的，而宇宙线研究把它的注意力主要转向天体物理学问题。这种发展趋势是不可避免的，但并不总是符合粒子物理学家的愿望；这是一个可悲的转变。
浪漫的时期过去了，在那个时期，在高海拔的高山实验室对云空照片的研究，可以同滑雪和登山相结合，或者，气球实验可以象我们的意大利朋友所做的那样，在意大利海军的飞机和军舰的支援下，从地中海的一个风景秀丽的岛屿出发。无疑，地中海和煦的太阳对科学实验的成功已作出了贡献。但是，这个欢乐的时期现在已经一去不复返了，粒子研究必须在大加速器机构的“干巴巴的”气氛中进行。
在天体物理学中，宇宙辐射成了一个很有价值的新工具，它有可能在恒星的可见光和红外光所得的信息之外提供新的信息。第一个问题当然是宇宙辐射的起源。福尔布希（Forbush）已经认识到，宇宙辐射的某些低能部分偶尔也从太阳发射出来，就是从太阳表面的某种湍流现象发出。但是很快就知道，要对宇宙线的起源问题作确定的回答，需要对恒星之间、我们的行星系中（这里我可以提醒你们注意比尔曼（Biermann）最先讨论的太阳风）、我们的银河系中、最后在河外空间中的等离子体的电磁场有充分的知识。对这些电磁场的研究成了近年来天体物理学的中心部分，并且利用宇宙辐射已得到了许多信息。关于它的起源，现在普遍的意见似乎是：超新星和它们的遗骸脉冲星是高能宇宙线的主要来源。但是，我不想深入探讨天体物理的细节，而想回到我最初提出的问题：宇宙辐射在哪些地方触及了物理学的基本问题？
我刚才提到了脉冲星，它属于迄今为止观察到的具有最大密度的恒星。它们的物质密度可以和原子核的密度相比较。它们由引力聚集在一起。这样的恒星引起了两个基本问题：一个涉及物质中引力和其他相互作用力之间的关系；另一个涉及到那种较高密度甚至更高密度的物质的状态方程。但在我进入讨论这些问题之前，我还想提一下，甚至在有了大加速器的时代，宇宙线研究对粒子物理学的很重要的问题也有几个很有价值的贡献。
宇宙辐射的粒子具有高达10 19 电子伏的能量，显然这样高的能量是加速器所不能达到的，至少在最近的将来是不可能达到的。因此，对于这样极高能量的粒子的碰撞只能在宇宙辐射中加以研究。即使低的强度和很少的统计资料不利干得到准确的结果，但还是提出了这样的问题：簇射的截面和其他特性在极高能量范围内应当怎样随能量而变化？在远远超过普通粒子和共振态的能量的地方，是否有一个渐近区，在那里不会发现或预料不会出现比较惊人的新事件或比较剧烈的变化吗，从宇宙辐射所得到的关于这个问题的信息不过是一个模糊的提示，但它还是刺激了理论研究，这种研究在二十多年前导致了这样的推测：任何强子的整个碰撞截面在高能时应当随能量的对数的平方而增加。因此应当有一个渐近区，但是在这个区域中，整个截面不应当是常数，它们应当按照对数的比例而增加。这种推测已在最近用欧洲原子核研究中心的储存环和用巴达维亚加速器所做的实验中得到证实。渐近区域似乎在系统的质量中心从100亿电子伏数量级的能量开始，在欧洲原子核研究中心的储存环中已得到500亿电子伏质子-质子碰撞。巴达维亚加速器的主要贡献是得到这样的结果：对于π子或K子和质子的碰撞也可以观察到对数增加。这对于有一般的渐近区的假设是一个强有力的有利论据，而且这种渐近区在这些实验中已经达到了。为了理解这种渐近区，把粒子描述为连续物质的近乎球状的云就足够了，而丝毫不用涉及组成这些云的粒子本身。这是可以令人满意的，因为“组成”一词在粒子物理中通常已失去它的意义。
近十年来，另一个问题占据了粒子物理学家的思想。我们知道SU 3 群在粒子谱中起着一种近似对称性的作用。SU 3 的最简单表示是三维的，因此人们可以期望对应于这种表示应该有三个粒子组成的三重态；这些粒子的电荷是基本电荷的1／3或2／3，它们的名称叫“夸克”。可是，这样的粒子在用大加速器做的实验中从未观察到过。因此，人们设想，夸克也许相当重，它们由很大的结合能结合在一起，所以现有的加速器还不足以把它们分开。在这一点上，宇宙辐射又显得很有用了，因为宇宙辐射的原始射线的能量可以比大加速器的最大粒子能量大几千倍甚至更多倍。甚至在宇宙辐射中也没有发现过夸克这一事实，是不存在夸克的一个很有力的论据。如果这样的结果是最终的结果，在我看来，对于“质子由三个夸克组成”这种说法很难给予任何确定的意义，因为不论是“组成”一词或“夸克”一词都没有确定的意义。那末这样的一个句子怎么能够解释呢，对于其他一些预言过但未发现的粒子，W介子、部分子、胶子、磁单极子、粲粒子，同样的怀疑也是正确的。如果它们不论是在大加速器中或是在宇宙辐射中都不能被观测到，那就难以证明它们在现象论描述中是适宜的概念。这里我们所遇到的状况是量子力学中早已熟悉了的。我们的日常语言引导我们问一些毫无意义的问题。例如，“电子绕原子核运动的轨道是怎么样的？”由于测不准关系，不论“轨道”一词或者“运动”一词，都得不到明确的定义，因此这个问题没有意义。
这把我引导到一个和宇宙辐射中的经验紧密联系的中心问题。但在我讨论问题的经验方面之前，我想先说明一下它在粒子物理学和一般物理学中的基本重要性。
从近几十年来的实验，我们知道，不同的粒子正是成体系的物的不同定态。它们用量子数表示其特征，或者，如果你愿意，也可以用它们在基本群下的变换性质来表示其特征。粒子物理学的理论上的理解只能意味着对粒子谱的一种理解。铁的光谱中单独一条谱线是无法理解的，但是整个光谱却是可以理解的，它可以归结为一个包括26个电子和这个铁原子核的系统的薛定谔方程。
光谱的理论解释的基本要亲是众所周知的，并且从经典物理学和量子力学都可以学到。我们可以设想一条弦的弹性振动，或者在一个空腔中的电磁振动，或者一个原子的定态，譬如说铁原子的定态。在所有这些例子中，我们首先需要一个关于系统的动力学性质的准确陈述，然后我们必须加上特殊的边界条件。在弦的例子中，弦的弹性和动力学性质的精确的数学表述是第一步；然后，通过陈述弦在哪里固定，我们就可以算出振动谱。关于空腔中的电磁振动，麦克斯韦方程确定了系统的动力学性质。边界条件由空腔的形状给定。由于问题的复杂性，常常不能准确地计算整个谱。但对于最低的一些振动，人们应当能够得到合适的近似结果。关于铁原子，它的动力学性质是由量子力学来规定的，那就是由薛定谔方程来规定。加上波函数必须在无穷远处等于零这样一个补充条件，这些定态就确定了。如果原子被封闭在一个很小的盒子中，这些定态就会不同。
从这些类比出发，很清楚，理解粒子谱系的首要条件是物质的动力学的精确的数学表述。显然，粒子这个词不应当进入这个表述。因为粒子是后来由成体系的物的动力学结合上边界条件来定义的；粒子是次级结构。在宇宙中，在我们的周围粒子谱无疑地可以不同于很稠密的中子星的内部，因为在这两个场合中边界条件是不同的。因此可以看出物质动力学的基本重要性，问题在于我们怎样才能掌握它的数学表述。
既然粒子概念在这里没有什么用处，动力学定律的群性质必定起决定性作用。譬如说，振动弦的动力学定律对于时间的移动和沿弦的位置移动是不变的，对于绕弦旋转也是不变的。由于边界条件，第二个不变性被破坏了，第三个不变性通常不被破坏。至于空腔中的电磁振动，对于整个洛伦兹群，动力学定律是不变的：这个不变性只是部分地被边界条件破坏。
对于物质的动力学，已经知道一些主要的不变性：洛伦兹群和同位旋群SU 2 。标度群可能也应该算在基本的不变性中。但我不想深入探讨动力学定律的这些对称性的细节。我宁愿回到宇宙辐射上来。宇宙辐射研究，或者更一般的天体物理学研究，怎样能对我们关于物质的动力学知识作出贡献呢，
首先谈一谈因果性。我们从色散关系知道，物质的相互作用遵循因果律。这句话的严格的数学表述或许还不完全知道，但我们有可靠的理由认为相互作用可以表述为局部的相互作用，比如就象在量子电动力学中那样。非局部的库伦力同这句话是相容的。从这样一种状况出发，说极高密度物质的研究应该给出关于这种局部相互作用的最直接的信息，从而也给出关于物质的动力学的最直接的信息，这似乎是合理的。
在中子星中，密度和原子核是同一个数量级。在这样的密度时，说原子核由若干核子组成还是有意义的。因为以小量的能量——与一个原子核的静止质量相比是小的——就足以把一个质子或一个中子从原子核中打出。核子在原子核中相互距离仍然很远，即它们的相互作用能量比它们的静止质量小。这在中子星中同样正确，因此有可能对这样的星体物质的状态方程作出估计。可是，如果密度还显著提高，例如在更大质量的恒星中由于引力收缩，那末恒星由什么粒子组成的问题就没有确定的意义了。提供给一个粒子的空间将小于它的正常大小，因此它不可能具有它的正常质量；相互作用是如此强烈，以致粒子通常不在它们的质量壳层上。换句话说，人们只能说所有粒子的一种混合物，而这时说它是连续物质则更为合理。正是这种连续物质的动力学行为是粒子物理学中的基本问题。
如果不仅能够得到关于中子星中的状态方程的更多信息，而且特别是还能得到关于更高密度恒星中的状态方程的更多信息，那末这对于理解物质的动力学行为就会是极端重要的。究竟是宇宙辐射中的观测还是天体物理学的更广阔领域的观测会更有用处，对此我不能作出判断。我只想强调这个问题的重要性。
宇宙辐射中还有另一个特殊领域，在这个领域里关于物质的动力学这个问题可以从一个完全不同的方面来着手处理。如果两个极高能的粒子相碰撞，那末，在碰撞的最初的瞬间，就会有一个物质密度极大的小盘，然后它发生爆炸，并且随着它的密度的减小，最后蜕变为许多粒子。这就是众所周知的粒子的多重产生的过程，碰撞的粒子的能量愈高，这种过程当然就愈有意义。如果原始宇宙线粒子有10 7 亿电子伏，那末在碰撞中，开始时的盘的密度可以比中子星中的密度大一千倍。
由此可见，这种极高能量的宇宙线簇射行为的研究会给出关于物质动力学的很有价值的信息。这方面令人感到鼓舞的是，在欧洲原子核研究中心的储存环中和在巴达维亚加速器中，人们似乎已经到达渐近区，或者至少已接近渐近区。对于这个区域中碰撞的初始阶段，初级粒子可以简单地形象化为连续物质云，其密度在表面按照指数的比例而下降。这个模型解释了总截面作为能量增加的函数是对数增加的。我还要指出两类实验的特征性的差别，一类是在极密的恒星上，另一类是在很高能粒子碰撞后的盘上。在第一种场合，引力起重要作用，在第二种场合，引力是不重要的。因此这两类实验能够给出两种不同类型的有关信息。
在结束时我要回到我报告开始时提到的一般问题，我或许应当说，宇宙辐射在整个物理学领域中的特殊作用是基于两类事实的。这种宇宙辐射含有最小尺度物质行为的信息，而且也对我们关于宇宙——最大尺度的世界——结构的知识作出了贡献。这两个极端都是不可能直接观测到的，它们只能用很间接的推理来考查。在这里，日常生活的概念必须代之以别的相当抽象的新概念。只有这样，我们才会懂得象“极端”或“无限远”这类词在涉及自然界时能够有什么意义。在这个意义上，宇宙辐射仍可以（不管实验形式有什么变化〕称为一门很浪漫的、很鼓舞人心的科学。
[译自西德《自然科学》（Die Naturwissenschaften）
1976年2月号，许良英校]
