新疆域
                          FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫  著
上海科技教育出版社 1999.12

扫描，校对：异调


宇宙学新疆域（FRONTIERS OF UNIVERSE），卞毓麟 何妙福  译

                       令人惊异的中子

    科学之所以激动人心，部分原因在于：即便是人们十分熟悉的现
象，有时也会令人大吃一惊。例如，有一种名叫中子的亚原子粒子，
科学家知道它已有60来年了。人们已对它作了很透彻的研究。对于它，
几乎可以肯定不会再有什么新发现了。然而，新发现就是有！在最近
几个月中，科学家们已经被迫修正了自己对一个中子能存在多长时间
的看法。

    中子是存在于原子核中的两种粒子之一。另一种粒子是质子。当
中子和质子互相结合在原子核中时，它们是稳定的。它们可以无限制
地存在下去，与宇宙同寿。

    另一方面，如果一个中子单独存在于原子核外，那么它就是不稳
定的。它或早或迟要衰变为一个质子、一个电子和一个中微子。一个
中子发生衰变之前，我们不可能准确地说出它究竟能存在多久。它可
能存在1秒钟，也可能存在1天，这完全是随机的。

    然而，如果我们考虑大量中子的话，那就有可能测定经历多长时
间之后它们之中正好有一半已发生衰变。这称为“半衰期”。1950年
前后，人们测定的中子半衰期是12.5分钟。这意味着如果你一开始时
有1万亿个中子，那么在12.5分钟后，它们之中已有半数发生衰变；再
过12.5分钟，在剩下的那一半中又有一半发生衰变，如此等等，直到
最后悉数衰变殆尽为止。

    不稳定的亚原子粒子种类甚多，但中子是个例外。其他不稳定粒
子发生衰变之前存在的寿命仅为百万分之一秒，甚至更短。唯有中子
的存在时间才长达12.5分钟之久。

    对科学家来说，这会带来不便。如果一个粒子在极短暂的时间内
衰变，那么在衰变之前它几乎就没有什么时间改变它的位置。无论它
跑得多快，科学家们总能盯住它，并定出它发生衰变的时间。然而，
从原子核中射出的中子通常都运动得极快，它在发生衰变之前，早就
跑得老远了。科学家们只能注视其运动轨迹的很小一部分，并且只能
根据他们设法捕获的少量衰变事例来计算中子的半衰期。

    此外，中子不带电荷，科学家却只能循踪带电粒子的运动。它们
获悉中子存在的途径，是观察它如何从与之相遇的原子中撞出带电的
电子。于是，科学家们就可以根据这种撞击产生的电子数目如何衰减
来判断中子如何衰变了。不过，电子飞出来的速度是各不相同的，运
动得特别缓慢或特别迅疾的电子都有可能被遗漏掉。

    最近，科学家们已研究出一些方法，可使中子减速，并用磁场捕
获它们。这样，科学家就可以比较从容地注视它们，对衰变的观察也
就更精确了。

    于是，中子的惊人之处就被发现了。看来，中子的半衰期不是12.5
分钟，而是10.1分钟。中子的衰变约比原先想象的快了19%。

    这有什么要紧呢？除了在教科书中更改一个数字外，还能有什么
呢？是的，事实上，这的确很重要，它关系到宇宙是如何起源的。

    眼下，科学家们认为宇宙始于一次大爆炸。宇宙始于一个小小的
粒子，后者包含了宇宙中的全部质量，其温度高得不可思议。这个粒
子在一场无与伦比的爆发中膨胀开来；温度则不断下降。在区区几秒
钟的时间内，温度降低到了可以形成质子和中子的地步；又过了几分
钟，温度降低得可使质子和中子结合为原子核。

    一个质子本身就是一个氢原子核，但是如果二个质子与二个中子
结合的话，它们就形成了一个氦原子核。大爆炸之后形成的只有氢和
氦。此后在恒星中心形成更复杂的原子，但数量极微。今天的宇宙仍
有99%是氢和氦。

    当然，中子形成后就开始衰变，因而由质子和中子形成的氦的数
量便取决于中子在衰变前能维持原状多久。假定中子的半衰期是12.5
分钟，天文学家计算出宇宙中如今应该有多少氦。然后，他们又研究
了太空中热而发光的物质云中的氦含量。据此，并根据其他资料，看
来宇宙中实际存在的氦含量不如由大爆炸理论计算得出的那么多。这
似乎成了大爆炸理论的一大缺陷。

    然而，如果采用中子半衰期的较小的新数值，那么按照大爆炸理
论，由质子和中子形成的氦的数量就正好与观测结果相符——大爆炸
理论又获得了一项支持。