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冰人幽灵-第114部分
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液态氦
在本世纪初的几十年里，世界各国都在寻找氦气资源，在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天，氦不仅用在飞行上，尖端科学研究，现代化工业技术，都离不开氦，而且用的常常是液态的氦，而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。
前面已经讲过拉姆赛在空气中找氦气的故事。在液态空气的温度下，氦和氖仍然是气体；在液态氢的温度下，氖变成了固体，可是氦仍然是气体。
要冷到什么程度，氦才会变成液体呢？
前面已说过，英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林&；#183；奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253摄氏度，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林&；#183；奥涅斯决心把氦气也变成液体。
1908年7月，卡美林&；#183；奥涅斯成功了，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。
要得到液态氢，必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氢气就变成了液体。
要得到液态氦，必须先把氦气压缩并且冷却到液态氢的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氦气才能变成液体。
液态氦是透明的容易流动的液体，就像打开了瓶塞的汽水一样，不断飞溅着小气泡。
液态氦是一种与众不同的液体，它在零下269摄氏度就沸腾了。在这样低的温度下，氢也变成了固体，千万不要使液态氦和空气接触，因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。
多少年来，全世界只有荷兰卡美林&；#183；奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以制造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。
在今天，液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号，就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下，否则就不能收到图像。
然而，液态氦的奇妙之处还不在于低温。
漏液氦的杯子
卡美林&；#183；奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他并不****，还想使温度进一步降低，以得到固态氦。他没有成功（固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的），却得到了一个没有预料到的结果。
对于一般液体来说，随着温度降低，密度会逐渐增加。卡美林&；#183；奥涅斯使液态氦的温度下降，果然，液氦的密度增大了。但是，当温度下降到零下271摄氏度的时候，怪事出现了，液态氦突然停止起泡，变成像水晶一样的透明，一动也不动，好像一潭死水，而密度突然又减小了。
这是另一种液态氦。卡美林&；#183；奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ，而把后一种静止的液态氦做氦Ⅱ。
把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的，但是过了一会，杯底出现了液态氦，慢慢地涨到跟杯子外面的液态氦一样平为止。
把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来，挂在半空。看，玻璃杯底下出现了液氦，一滴，两滴，三滴……不一会，杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了吗？不，玻璃杯一点也不漏。这是怎么回事呢？
原来氦Ⅱ是能够倒流的，它会沿着玻璃杯的壁爬进去又爬出来。这是在我们日常生活中没有碰到过的现象，只有在低温世界才会发生。这种现象叫做“超流动性”，具有“超流动性”的氦Ⅱ叫做超流体。
后来，许多科学家研究了这种怪现象，又有了许多新的发现。其中最有趣的是1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。
在一根玻璃管里，装着很细的金刚砂，上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中，用光照玻璃管粗的下部，细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉，光越强喷得越高，可以高达数厘米。
氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中，光能直接变成了机械能。
魔术世界
大家还记得拉姆赛把各种物质放到液态空气中的各种奇妙的实验吧！各种物质放在液态氦里，情况就更奇妙了。
看！在液氦的温度下，一个铅环，环上有一个铅球。铅球好像失去了重量，会飘浮在环上，与环保持一定距离。
再看！在液氦的温度下，一个金属盘子，把细链子系着磁铁，慢慢放到盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候，链子松了，磁铁浮在盘子上，怎样也不肯落下去。
真像是到了魔术世界！这一切，只能在液态氦的温度下发生。温度一升高，魔术就不灵了，铅球落在铅环上，磁铁也落在金属盘子里了。
这是低温下的超导现象。
原来，有些金属，在液态氦的温度下，电阻会消失；在金属环和金属盘中，电流会不停地流动而产生磁场。这时候，磁场的斥力托住了铅球和磁铁，使它们浮在半空中。
在低温下，出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验，都要在低温下进行。
目前，世界各国的物理学家还在研究液态氦，希望通过液态氦达到更低的温度，研究各种物质在低温下会发生什么奇妙的变化，会有什么我们目前还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。
结束语
氦，这个奇妙的物质，一直在引起科学家们的注意。科学家们继续研究氦，通过科学实验，不断地为氦写下一页又一页新的历史。
物理学家不仅仅得到了液态氦，还得到了固态氦，他们正在向绝对零度进军（物理学把零下273。16摄氏度叫做绝对零度。这个温度标叫做绝对温标，用K表示。OK就是…273。16℃，而273。16K就是0℃）。从理论上讲，绝对零度是达不到的，但是可以不断接近它。液态氢的沸点是绝对温标20。2度，液态氦的沸点是绝对温标4。2度。在绝对温标2。19度的时候，氦Ⅰ变为氦Ⅱ。1935年，利用“绝热去磁”法，使液态氦冷到绝对温标0。0034度；1957年，达到绝对温标0。00002度；目前已达到跟绝对零度只相差0。000001度了。
天文学家也继续研究着太阳元素。太阳上的氢“燃烧”变成了氦，以后的命运又如何呢？他们发现宇宙间有一些比太阳更炽热的恒星，中心温度达到几亿度。在这些恒星的核心，氢原子核已经都变成了氦原子核，氦原子核又相互碰撞，正在生成着碳原子核和氧原子核，同时放出大量的能。这类恒星橡心脏一样，一会儿膨胀，一会儿收缩，很有规律。为什么会这样？这也是因为氦在起作用。
天文学家还研究了银河系内氢的含量和氦的含量的比值。根据这个比值，有人估算了银河系的年龄有一二百亿年。
氦的历史并没有完，人类认识氦的历史也没有完，而我们这本讲氦的故事的小册子，却不得不结束了。
要问在发现氦和研究氦的历史上谁的功劳最大呢？是天文学家詹森和罗克耶吗？是化学家拉姆赛和物理学家克鲁克斯吗？是发明分光镜的本生与基尔霍夫吗？当然还要考虑把空气、氢气以及氦气液化的汉普松、卡美林&；#183；奥涅斯等人的功劳。
很难说。在人类认识氦的历史上，他们都有着自己的贡献。氦仅仅是一种元素，但是发现它和认识它，是许多门科学——物理学、天文学、化学、地质学等的共同胜利，决不是某一个人的力量能够完成的。
科学是没有平坦的道路可走的，只有不畏艰险不怕困难的人才能攀登科学的高峰。通过氦的发现的历史，我们看到许多科学家们正是这样勇于实践的人。他们有严谨的科学态度，对于实验中的一点细微现象——一个小气泡，第三位小数的细微差异，也不放过。他们不但爱问为什么，而且千方百计地去寻找答案。他们埋头苦干，几个月、一年、几年坚持不懈，终于由纷乱的谜团中找出头绪，得到了解答。他们永远不****已有的成绩，而是深人一步、再深入一步地钻研。人们对氦的认识就是这样逐步深人的。到现在为止，谁也不敢这样说：“氦，我们已经完全认识清楚了。”
外篇 深深的粒子海洋
由夸克组成的强子家族，只是基本粒子世界的一员，在那个极微世界里，新发现的粒子似乎层出不穷，永远都没有结束的时候。目前已知的基本粒子已达到数百种，足可以组成一个庞大的“粒子动物园”。这样众多粒子的存在向我们提出了一些问题：究竟为什么它们要存在？它们在粒子的各种相互作用中起什么作用？它们彼此之间是如何联系的？它们是否是由某些更基本的粒子组成的？
轻子家族
今天公认的基本粒子可分为三大类：轻子类、夸克类（即强子类）和媒介粒子类。其中夸克类粒子全部由夸克组合而成，前文已详细介绍，不再赘述，在此重点介绍轻子类和媒介粒子类。
轻子是类点的、无结构的粒子。轻子具有如下两个性质：轻子只参与弱相互作用和电磁相互作用，不受强力影响，其中中微子只参与弱相互作用；轻子必定以“粒子—反粒子”对的形式产生或湮灭，总的轻子数（轻子的数目减去反轻子的数目）在我们所知道的一切过程中保持不变。
我们最熟悉的轻子就是电子，它是一个极轻的粒子（约是一个核子质量的1/1800），带1个单位负电荷。已知的轻子有六种，其中三种带电的轻子是电子、μ 子和τ子，μ子是于1937年被安德森发现的，其质量为电子质量的207倍，它不稳定，在2毫秒内衰变为电子；τ子是于1975年被发现的，其质量约为电子质量的3500倍，差不多是核子质量的两倍，但更不稳定，其寿命只有千分之几毫秒。这种“重电子”和“超重电子”的真实存在，对物理学家来说还是一个谜。
除了三种带电轻子外，还有三种不带电的轻子，称为中微子。每一种中微子对应着一种带电轻子，分别被称为电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。它们总是成对出现，每一对称为一代，而且每一代中的中微子质量都比相应的荷电轻子的质量小得多。
从电性上来说，中微子都是中性的，因此，它们不参与电磁相互作用。一般假定它们的静质量为零，因此按照相对论，它们必定是以光速运动；不过，它们的质量问题是当前争论的一个焦点，人们认为，如果电子中微子确实是有质量的话，实际上也是微乎其微的。然而，可能存在的这么一点质量，在宇宙学上有重大意义：因为在宇宙中有如此多的中微子，它们是大爆炸遗留下来的，它们加在一起的质量可以产生的引力效应，大到足以使宇宙目前向外的膨胀减慢，甚至停止下来。
由此可见，中微子和反中微子在我们的宇宙中扮演了一个极为重要的角色。不过遗憾得很，对它们的探测极其困难，因为它们是电中性的，还具有惊人的穿透物质的能力，在固体物质中通过极大的距离仍未被吸收掉。然而，利用巨型探测器以及极大的耐心，观测到少量的中微子和反中微子还是可能的。
媒介粒子和四种力
假如组成宇宙万物的基本粒子相互间没有任何关系，它们中的任何一个都是像被“隔离”的，那么，在这样一个宇宙中，既无恒星也无行星和生命，宇宙只是一个寂寞的、完全没有事件发生的集合。幸运的是，宇宙间物质和粒子都有不同的相互作****，这才使我们的宇宙形成了有机联系，充满活力而生机勃勃。
在日常生活中，虽然自然界看上去好像有多种作****，但事实上所有这些作****都可以简化到最基本的四种：引力、电磁力、强力和弱力。这四种力也就是物质间的四种相互作用，这些相互作用都是靠媒介粒子的传递来实现的，媒介粒子是传递物质间相互作用的粒子。
引力是我们最熟悉的力，任何物体之间都有引力的相互作用，物体的质量越大，引力越大，而在粒子世界里，它几乎不起作用；引力还是一种长程力，其作用范围可以延伸到无穷远，当然随着距离的增加，其作****也逐渐减弱。科学家预测传播两个物体之间引力的媒介粒子是无质量的引力子，但引力子直到今天还没有被直接观测到。
电磁力是由粒子的电荷产生的。一个粒子可以带正电荷，也可以带负电荷，电荷同性相斥，异性相吸，如果一个粒子不带电荷，则不受电磁力影响。作用于固体原子和分子之间的电磁力使固体具有硬度，电磁力也具有磁性和发光的特性。携带电磁力的媒介粒子是光子，它也是产生光线的粒子。
强力是原子核内的力，它把原子内的中子和带正电荷的质子结合在一起（质子因都带正电荷经常试图互相推开，如果没有强力，它们将相互飞开），强力的作用范围只能在原子核内，大约只有10－15米，在相同的距离内，强力要比电磁力强100倍。传递质子、中子之间强力的粒子就是介子，从这个意义上来说，介子也是媒介粒子；传递夸克之间强力的粒子叫做胶子。
弱力作用于所有的夸克和粒子，强度是电磁力的千分之一。弱力与其它三种力不同的是，它的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应。比如放射性原子很不稳定，因为它的原子核容纳了太多的中子，因此必定会发生衰变，衰变发生时，一个中子变成一个质子，同时释放出电子。这就是弱力在起作用。弱力是由W＋、W－和Z粒子传递的。
玻色子和费米子
基本粒子还可以根据自旋的不同分为玻色子和费米子两大类。自旋是粒子的一个最重要性质，但粒子的自旋与我们常见的旋转很不一样，它是一份一份跳跃着自旋的，只能取一个常数的倍数。自旋为半奇数倍的是玻色子，光子、引力子、胶子等媒介粒子都属于玻色子；自旋为整数倍的是费米子，夸克和轻子家族成员都属于费米子。简言之，费米子是组成物质的粒子，玻色子则是传播物质相互作用的粒子。
这两类粒子特性的区别在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，形成玻色—爱因斯坦凝聚；费米子则与之相反，它们更像是个人主义者，各自占据着不同的量子态。当物体冷却时，费米子依序占据最低能态，但它们是在不同能态上堆叠起来的，就像人群涌向一段狭窄的楼梯时那样，只能一层层往外排。大部分最低能态都被单个费米子占据时，这种状态称为简并费米气体。
基本粒子虽然多得令人目不暇给，但我们周围的普通物质，也仅仅是由3个基本粒子构成的：即上夸克、下夸克和电子。其它绝大部分基本粒子只是我们宇宙中暂�
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