Science 版 (精华区)

发信人: emacs (被淹死的鱼), 信区: Science
标  题: 《新疆域》缓慢的衰变
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月15日15:58:23 星期六), 站内信件


                         缓慢的衰变

    要是我们能在月球上建立一个永久性基地的话，我们也许能做出
多么令人惊奇的事情！例如，我们或许能弄清楚自然界的某些基本理
论是否正确。

    近年来，物理学家曾发展了一种所谓的“大统一理论”，在这种
理论里，自然界的所有力都被总括进一组数学关系式。这样的理论，
假如被证明正确的话，最后也许会告诉我们：宇宙是怎样开端的，它
是怎样发展到现在的状态以及它的最终结局可能是怎样的。

    但是怎样才知道大统一理论是否正确呢？一个方法便是留意它们
是否提出了任何以前未曾预料到的现象，然后进行实验以检验这些假
设。

    例如，自从大约75年前发现质子以来，它似乎是个稳定的基本粒
子。如果任其自然，显然，它将永恒地保持下去。

    然而，按照大统一理论，质子应有一个小到不可思议的衰变倾向。
总之，大约需2×10^32年，宇宙间全部质子的一半会衰变掉。这确实
是一段极长的时间。它大约是至今为止宇宙年龄的1.3×10^21倍。这
意味着从宇宙开始存在以来的时间里，质子只有一个非常微小的部分
才有机会衰变。

    然而，我们怎样才能查明质子是否真正以很慢的速率在衰变，以
此来检验大统一理论的正确性呢？显然，我们不可能等待上亿万年去
检验此事。

    可是，我们并不需这样做。尽管大量质子的衰变实际上需要花无
限长的时间，在我们的周围仍然有非常少的质子不断地在衰变。例如，
2万吨水或铁中，应包含几百万亿亿亿个质子，而其中大约有12个质子
在一年的过程中会衰变。这是个微不足道的百分比，但每个质子，当
它衰变时，会产生能够被检测到的基本粒子，因而如果一年中检测到
那12个质子的衰变，它们便构成一个有利于大统一理论的强有力的证
据。毕竟，如果这些理论是不正确的，那就根本没有质子的衰变。

    科学家们已安装了灵敏的设备用以检测此类非常偶然发生的质子
衰变，然而，至今什么也没有得到。或许这意味着大统一理论是不正
确的，可是科学家仍不准备承认这一点。一则，他们感觉检测设备还
不够灵敏，不足以做这项工作。二则，即使它们足够灵敏，也存在干
扰现象。

    毕竟，在我们周围存在着各种高能辐射，从太阳光到宇宙线。这
些辐射产生的基本粒子在检测器里就表现为“噪声”，从而掩盖了真
正的质子衰变。

    为了降低噪声，这样的检测器被安放在地下深处。这就产生一个
“无噪声”背景，但还有一个例外。不断轰击地球的宇宙线与地球大
气里的原子发生作用而产生微小的基本粒子，被称为“中微子”。这
些中微子几乎不同任何物质相互作用，并且能穿过整个地球，就好像
它是真空一样。不管检测器被安放在地下多深，它们都能通过。

    很偶然地，这样的中微子与质子相互作用而产生的基本粒子，类
似于质子衰变应产生的基本粒子。检测器每捕获一次真正的质子衰变，
同时也会捕获近100次中微子与质子的相互作用。因此要分清质子衰变
该是项多么困难的任务。

    但是如果我们在没有大气的月球上，会怎么样呢？在那种情形里，
我们可在月球表面下约100码处挖掘一条长330码、宽16码、高8码的隧
道，深入到一座环形山的边上。而把一套很重又很复杂的检测器安放
在隧道里。

    宇宙线也轰击月球，但因无大气存在，形成的中微子数量应少得
多。科学家计算出，在如此条件下，对应于每2次真正的质子衰变，只
有1次中微子的相互作用。因此，如果我们能把这套既复杂又很昂贵的
仪器设备安放在月球上，那么，在极高宁静度的背景下，将使我们比
较容易地检验大统一理论的正确性。


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