在弗裡德曼、愛因斯坦等人的基礎上建立起的熱大爆炸宇宙模型，揭示了我們的宇宙來自一次大爆炸。如果時光倒流，這個爆炸一定會有一個起點。「大爆炸的起點究竟發生了什麼？為什麼會發生爆炸？今天的物質又是從哪裡來？」早期的大爆炸理論無法回答這些問題，它只能描述「爆炸之後」發生的事。
圖1 大爆炸宇宙演化歷史（Particle Data Group at Lawrence Berkeley National Lab）
宇宙在誕生之初，就像一個能量極高、體積非常小的原初火球，我們需要粒子物理方面的知識才能描述這個時期的宇宙。而原子核物理，可以告訴我們宇宙中的元素從何而來，像太陽這樣的恆星為什麼會存在，它為何能夠燃燒億萬年，養育著地球上無數的生命；中子星、黑洞這樣神秘奇異的天體又是如何形成的……
粒子物理和原子核物理，合稱亞原子物理，就是研究比原子還小的尺度上的物理規律。我們可觀測宇宙的最大範圍，約1027(文中斜體表示上標，這裡是指10的27次方)米，而我們目前所知的最小結構，約為10-19米。有人把宇宙比喻成一個首尾銜接的蛇，在最大和最小的兩頭銜接起來。要了解最大的宇宙從何而來，我們竟然要跨越46個量級，求助於最小的微粒，見微而知著。首先，我們就先來回顧一下亞原子物理發展的早期時代。
圖2 宇宙像一條首尾相接的銜尾蛇，要了解最大尺度宇宙從何而來，需要對最小尺度微觀結構的理[1]
摩擦為什麼會起電？
我們在生活中常會有這樣的體驗——從塑料滑梯滑下來，頭髮會像金毛獅王般炸開；然後再和別人擊掌時，會被 「啪」的狠狠電一下；大家還發現用絲綢摩擦過的玻璃、水晶，和毛皮摩擦過的樹脂、琥珀，會吸引紙屑之類的輕小物體（圖3）。這就是摩擦起電現象。
圖3 摩擦起電現象[3]。上：四處亂蹭的貓咪，全身吸滿了泡沫海綿；下：滑梯的孩子頭髮帶電排斥
一名16世紀的英國醫生威廉·吉爾伯特（William Gilbert）仿照琥珀的希臘字，引入「電」這個名字，拉丁文為electrica[2]。玻璃電和樹脂電都吸引普通物質，玻璃電也吸引樹脂電，但單獨攜帶玻璃電或樹脂電的物體之間相互排斥。摩擦起電的本質究竟是什麼呢？當時的人們並不清楚。
到18世紀，人們對電的本質有兩種主流觀點——迪費（Du Fay, Charles Francois de Cistermay）等人認為電是兩種不同的流體在流動，而富蘭克林（Benjamin Franklin）一派認為電是單一粒子組成的單流體。富蘭克林對電的闡述在當時具有很大的影響力，他認為電由「極微小粒子」組成，普通物質如同海綿一樣容納電，當絲綢摩擦玻璃棒時，一些電從絲綢上轉移到玻璃棒上，絲綢則留下缺額。這種缺額和樹脂電是同一種電。毛皮摩擦樹脂棒時，電從棒上轉移到毛皮上，棒上留下缺額。富蘭克林稱樹脂電為負電（Negative Electricity），玻璃電為正電（Positive Electricity），而任何物體中電的數量稱為該物體的電荷（Electric Charge），富蘭克林的這些術語沿用至今。他還提出了一個基本假說 —— 電荷守恆（Conservation of Charge），電既不會創造，也不會消失，只能轉移。
圖4 上：左富蘭克林的閃電實驗；下：正負電荷同性相斥、異性相吸[3]
單流體還是兩流體的爭論，直到19世紀末發現電子以後，才真正得以解決。今天我們知道，兩種理論都有正確之處。世界上有兩種電荷，正電荷和負電荷，同種電荷相互排斥，所以在塑料滑梯上玩的孩子，由於積累了同種電荷，頭髮因為互相排斥而炸開。由於異種電荷相互吸引，電荷靠近輕小物體時，它的電場使物體靠近電荷的一端出現異種電荷，遠離的一端出現同種電荷，這就是「極化」現象（polarization，圖5），輕小物體重量輕，極化產生的庫侖力可以把它吸引起來。以後我們會提到，真空中也有一種極化 —— 真空極化（vacuum polarization），正反虛粒子在真空中不斷產生，隱藏了物質創生和相互作用的秘密。
圖5 左：無外電場時，有極分子的固有電偶極矩由於熱運動無規則排布，相互抵消；右：有外電場時，有極分子電偶極矩在外電場作用下趨向定向排布，宏觀上出現電偶極矩、體電荷（介質不均勻）和面電荷，這些電荷稱為「極化電荷」或束縛電荷，極化電荷會引起整個電介質電場變化[4]
普通物質的原子由帶負電的電子和帶正電的原子核組成，原子核帶的正電荷數跟核外電子帶的負電荷數相等，整個原子呈電中性。電子被束縛在緻密的原子核周圍，原子核集中了物質絕大部分質量。摩擦起電實際上是因為不同材料得到或者失去電子。由於得失電子的能力不同，當兩種材料摩擦時，獲得電子的一方帶負電，失去電子的一方帶正電，富蘭克林把「盈餘」和「缺額」正好搞反了。
對於固體物質我們通常可以認為原子核是不動的，在摩擦起電過程中，傳遞的只有電子，這種情況下富蘭克林是對的。可是如果把鹽之類的電解質溶解於水，可以得到帶正電和負電自由移動的離子，這時流動的就是正離子和負離子兩種粒子了。另外，還存在「正電子」，它除了帶正電荷外，其它性質與電子相同。在更深層的意義上，迪費是對的，正電荷、負電荷都是基本電荷。
1752年，富蘭克林還在費城進行了著名的雷電試驗（圖4），之後富蘭克林致信英國重複實驗時寫道：「當雨水打溼風箏線讓其導電，會發現電流不斷流向一旁的鑰匙，用這個鑰匙可以給萊頓瓶充電。從中得到的電火花可用來進行所有電學實驗。」[6]富蘭克林證明閃電的本質就是電流，但是用閃電做實驗太危險了，後來人們發現在抽掉空氣的玻璃管中加上高電壓出現的放電現象，可以用來做電學研究。
陰極發出的射線
1709年，毫克斯比（Hauksbee）發現，如果把玻璃容器中的空氣抽掉，當壓強降到大氣壓的1/60時，將容器與自己改造的摩擦起電機相連，可以在容器內看到發光現象，而把空氣放進玻璃容器，發光亮度又會減弱[2]。這就是低壓氣體中的放電現象。
到了1839年，法拉第（Michael Faraday）發現玻璃管中氣體越稀薄越容易出現輝光。他把一根玻璃管抽去空氣，兩端焊接兩根黃銅作為電極，然後通電，發現陽極和陰極之間發出輝光，中間有一個暗區，這個暗區後來被稱為「法拉第暗區」。因為電和空氣總是混在一起，要想知道電的性質，最好是在真空中進行放電研究。但是法拉第當時的真空度只能達到10-3個大氣壓量級，空氣對電流仍然有很大幹擾，使得法拉第最終不得不放棄了研究。
我們今天知道，根據量子力學的知識，原子的能量由繞核運動的電子的動能和勢能決定。而電子運動的軌道不是任意的，它只能在一些特定的軌道上運動，所以原子能量只能取一系列離散的值，這些離散的能量就構成了原子的「能級」（Energy Level）。換句話說，原子能量是「量子化」的。
如圖6，這些不同的電子軌道能級（或稱為電子殼層），用字母K、L、M、N……標註，K表示最內層也是能量最低的能級，越往外層能級能量越高。我們同時還給這些能級分配量子數1、2、3、4……。K能級分配的量子數為1.每層能容納的最大電子數為2n2，n是該殼層量子數。這樣K層能容納2個電子，L層2×(2)2=8個……原子的外層稱為「價電子層（Valence Shell）」，決定了元素的化學性質[9]。
圖 6 電子軌道能級及填充規則[5]
因為帶負電的電子和帶正電的原子核之間是吸引力，把電子從原子內部移走，我們需要額外的能量，把一個軌道電子從原子內移到無窮遠處所需能量稱為「軌道束縛能（orbital binding energy）」。無窮遠處的束縛能為0，所以原子內電子能級值總是負值。對同一個電子殼層，原子核內的質子越多，束縛能也越強。質子的數量我們通常用Z表示，如圖7，鎢（Z=74）的K層軌道能量是 -69500eV（eV是能量單位，稱為電子伏特，表示一個電子經過1伏特電壓加速後獲得的動能）比氫（Z=1）的K層電子 -13.5eV 束縛得更緊密[5]。
圖7 氫和鎢的能級圖[5]
一般情況下，原子處於最低能量狀態，我們稱為「基態」（Ground State）。在氣體放電過程中，主要起作用的是原子最外層的電子——價電子。當價電子從外界獲得額外能量時，可以躍遷到更高的能級（圖8），我們就說原子處於「激發態」（Excited State）。電子停留在激發能級的時間很短（約10-8秒），就躍遷回到基態或另一個能量較低的能級。並以光子的形式輻射能量，輻射出的光子的能量等於所躍遷的兩個能級的差[9]。當電子從量子數為n的高能級En躍遷到量子數為m的低能級Em時，發射的光子的能量和頻率有一個非常簡單的對應關係（右邊等號適用於氫原子）：
其中h為普朗克常量，ν是光子頻率，c為光速，R則是著名的裡德伯常數（Rydberg Constant），最早是18世紀時由裡德伯（Johannes Rober Rydberg）在實驗中總結出來的經驗常數，後來由波爾（Niels Henrik David Bohr）根據量子理論成功從理論上推導出來。
頻率決定了我們看到的光的顏色，所以特定能級之間的躍遷，我們會看到氣體發出特定顏色的光。如圖7，氫原子的主量子數n≥2的電子躍遷到n=1的能級，產生的一系列光譜線稱為「萊曼線系（Lyman Series）」。此系列譜線能量位於紫外波段。而主量子數n≥3的電子躍遷到n=2的能級，產生的系列光譜線則稱為「巴爾末線系（Balmer Series）」，就是我們熟悉的可見光波段了。
圖8 左：原子中軌道電子在外來高能帶電粒子庫倫作用下激發（Excitation），躍遷到高能級；右：去激（De-Excitation），激發到高能級的軌道電子很快躍遷回較低能級，並發射一個光子[5]
當電子獲得的能量大到一定程度時，電子就脫離原子的束縛成為自由電子，原子則變為正離子，這個過程叫做「電離」（Ionization）[9]（圖9）。當法拉第的玻璃管兩端加上電場後，空氣中的電子與氣體原子相撞，把部分能量傳給原子，電離出的電子又發生次級電離（圖9），最終使氣體電離或激發發光[9]。
圖9 電離（Ionization）和次級電離（secondary ionization）[5]
因為通電玻璃管中的高能電子和空氣原子分子會發生上述的激發、電離等相互作用，要研究電子的性質，需要儘量排除管內空氣的影響，所以真空技術至關重要。粒子物理實驗的進步，一方面取決於真空技術，另一方面也依賴於高能量的獲得。
當時最重要的儀器之一，就是1850年魯姆科夫（H.D.Rühmkorff）設計的感應線圈（圖10），這是一種早期變壓器，用來產生高電壓和長的放電火花。魯姆科夫線圈有兩個繞在圓柱形鐵芯上的線圈，兩線圈之間互相絕緣。初級線圈由幾匝粗線繞成，次級線圈用幾公裡長的細線繞了很多匝（通常是30萬匝/米[6]）。電池在初級線圈中產生電流，而斷路器不斷切斷電流，從而在次級線圈的兩端產生電勢差。在英國倫敦皇家學會還保存了一個大魯姆科夫感應線圈，次級線圈有450公裡長，可以產生約1.1米長的火花。當時，火花放電的長度就和電池功率一樣，可以用來衡量一個實驗室的級別[7]。
圖10 魯姆科夫線圈[3]
高效真空泵的發明，使真空氣體放電研究迎來了轉折點。1858年，德國玻璃工人蓋斯勒（Johann Heinrich Geissler）利用託裡拆利真空實驗的經驗發明了一種水銀真空泵，可以使玻璃管內達到10-4個大氣壓左右[2]。他把兩個金屬鉑電極放在玻璃管內部兩端，抽空管內的空氣。然後把魯姆科夫感應線圈接上，產生幾千伏的高壓電，管中稀薄的氣體發出了紫紅色的輝光。這就是著名的低壓氣體放電管——蓋斯勒管（圖11左），它可是今天霓虹燈、日光燈、電子管、顯像管的老祖宗。人們在蓋斯勒管中充入不同的氣體，可以顯示不同的顏色，例如氖發紅光、氙發藍光、氦發黃光。然後彎成各種花樣，通電後就顯示出五彩繽紛的光的圖案（圖11右）。這就是我們常見的霓虹燈。一百多年來，真空技術在物理學實驗中佔據了重要地位，今天的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）真空度達到10-13個大氣壓，比蓋斯勒能達到的真空度高了10億倍，和月球表面的真空度相當[8]。
圖11 上：博物館中仿製的蓋斯勒管[3]；下：五彩繽紛的霓虹燈
魯姆科夫線圈使赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）在1886年證實了電磁波，並發現了光電效應；使倫琴（W.C. Rntgen）在1895年發現了X射線；使塞曼同年發現了塞曼效應；使湯姆遜（Joseph Thomson）在1897年確定了電子的荷質比。倫琴和湯姆遜的發現還利用了蓋斯勒真空管，真空和高能，這兩項技術對粒子物理學的誕生都是不可或缺的。
德國波恩大學的普呂克（Julius plüker）對蓋斯勒管非常感興趣，他利用蓋斯勒管研究不同真空度時氣體放電情況。普呂克發現當管內空氣幾乎都抽成真空時，輝光現象消失了，僅在正對陰極的玻璃管壁上有淺綠色的輝光[11]。普呂克認為，應該有一種射線打在玻璃壁上產生了螢光。他用磁鐵在管外晃動，螢光也在晃動，好像被磁鐵吸引著，這意味著射線是由帶電粒子組成的。
1868年，普呂克去世了，他的學生希託夫（Johann Wilhelm Hittorf）在放電管中裝了一片金屬障礙物，通電後，陰極對面的玻璃壁上不僅發出螢光，還出現了障礙物的影子[7]。這說明放電源是陰極，富蘭克林關於電的流動方向是錯的，電不是從陽極流向陰極，而是從陰極流向陽極。幾年後，戈德斯坦（Eugen Goldstein）把這種神秘的射線命名為「陰極射線」（Cathode Ray）[2,6,7]。
圖12 上：普呂克；下：希託夫[3]
1878年，克魯克斯（William Crookes）對水銀真空泵進行了改進，獲得更高的真空度。他把新真空泵裝在氣體放電管上，通上魯姆科夫線圈產生的一萬伏的電壓，然後開始抽真空。當氣壓降到0.01個大氣壓時，氣體開始發光了。繼續抽，0.001大氣壓時，奇妙的現象出現了，陰極附近出現了一段不發光的黑暗區域（圖13、14，克魯克斯暗區，該區域電子能量大部分用於電離碰撞，由此產生的大量電子從電場重新獲得激發能，與氣體碰撞產生最明亮的負輝光[9]），原來連續的光柱斷開了，仍舊發光的一段光柱也像魚鱗一樣閃爍不定。再抽下去，黑暗的區域越來越長，好像由陰極伸出來一股暗流，把發光區域越壓越短，最後，10-5個大氣壓時，暗區壓到陽極上，整個光柱就全部消失了。這時候，放電管已經抽成高真空，管中的氣體不再發出輝光，只看到陰極對面的玻璃壁上，閃爍著微弱的綠色螢光[10]。
圖13 克魯克斯的陰極射線管實驗示意圖[9,13]
克魯克斯製成的這種高真空放電管就是——陰極射線管，人們也把它稱為克魯克斯管，它是當時物理學家研究陰極射線的重要儀器，X射線、電子的發現，都是圍繞陰極射線管的研究開展的。
圖14 上：陰極射線管（克魯克斯管）.來源：維基百科；下：輝光放電的不同區域及名稱[13]
陰極射線的本質究竟是什麼呢？圍繞這個問題當時有兩派展開了激烈的爭論。克魯克斯、瓦利和舒斯特指出陰極射線在磁場中偏轉；在玻璃管中放上小風車，陰極射線打到風車上會讓風車轉動，說明它具有動量；陰極射線匯聚處會讓手感覺灼熱；種種這些特點意味著陰極射線是帶負電的微粒。因為他們三位都是英國學者，所以被稱為「英國派」。
另一派則是以赫茲、戈德斯坦等為代表的「德國派」，他們認為陰極射線是一種以太波。赫茲讓陰極射線通過帶電的金屬板，如果它是帶電分子或者原子，應該被同性電的金屬板排斥，異性電的金屬板吸引。但觀測結果陰極射線並沒有明顯偏轉。戈德斯坦用一根又長又直的玻璃管進行氣體放電實驗，實驗結果表明，在10-5個大氣壓的陰極射線管中，射線至少飛行了90釐米，而普通分子在在相同氣壓的環境只能前進0.6釐米[1]，如果陰極射線是分子流，不可能飛行那麼遠的距離。
關於陰極射線的本質，英國派和德國派爭論了二十多年，一直到電子的發現。終結這場曠日持久爭論的人，叫做約瑟夫·湯姆遜（Thomson，Joseph John）。
參考文獻
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[2] 史蒂芬溫伯格，《亞原子粒子的發現》，湖南科學技術出版社，2007.
[3] https://en.wikipedia.org/
[4] 虞福春，鄭春開，《電動力學》，北京大學出版社，1996.
[5] Jerrold T. Bushberg, 《The Essential Physics of Medical Imaging》, LIPPINCOTT WILLIAMS & WILKINS, 3rd,2011.
[6] 阿伯拉罕·派斯，《基本粒子物理學史》，武漢出版社，2002.
[7] 賽格雷（E.Segre），《從X射線到夸克——近代物理學家和他們的發現》，上海科學技術文獻出版社，1984.
[8] https://home.cern/
[9] 徐學基，諸定昌 ，《氣體放電物理》，復旦大學出版社，1996.
[10] Linus Pauling，《General Chemistry》，Dover Publications，1988.
[11] 劉筱莉,仲扣莊，《物理學史》，南京師範大學出版社，2001.
作者簡介
蒙克來，中國科學院紫金山天文臺助理研究員，研究方向：宇宙大尺度結構。
主編：毛瑞青
編輯：王科超、高娜