“这是问题的关键了，中间设计非常多的物理原理。”韩一迈略微整理了一下思路，“现在有一个伽马光子，能量是100亿电子伏，从宇宙深处的某个黑洞，比如距太阳系10亿光年远，发射出来，飞行10亿年，最终进入地球的大气层，之后会发生什么呢？”
“听着呢。继续说。”南李丽也吃了一小口四喜丸子。
“这个过程比较复杂。简单说，这个伽马光子会和大气分子碰撞，产生一些次级粒子，最有可能的，是这个伽马光子消失，变成一个正负电子对儿。一个电子，一个正电子，配一对儿。这在《易经》里，叫太极生两仪。前面还有一个过程，叫无极生太极，又叫道生一。这个伽马光子，就是一个太极。”
“真的吗？物理也讲这个？”佟琳半信半疑。
“你到底懂不懂？懂就好好讲。别掺合那些道家，阴阳家杂七杂八的私货。就显得你什么都懂是吧？”南李丽气道。
“好好。刚才开个玩笑嘛。”
“那你刚才说的，什么电子正电子配一对儿，不是真的吧？”佟琳道。
“这个是真的。一个100亿电子伏的伽马光子经过碰撞，最最可能的，是变成了一个正负电子对儿，以大约光速冲向地面。好了，现在不开玩笑了。要不你该记混了。”
“她已经开始记混了。”南李丽不满道，“你能不能正经一点。好好说。”
“好好。这一对儿正负电子，会继续跟大气分子碰撞，然后逐渐减速。减速的过程会产生轫致辐射，还有电离。这样就有大量的次级粒子产生。”
“什么叫轫致辐射？”南李丽道。
“简单说，韧致辐射就是带电粒子在减速过程中会发射的电磁辐射，也就是光子。具体到咱们这个例子，就是这个正电子还有电子，在大气层减速的过程中，发射了一系列的X光。”
“越说越复杂。”南李丽不悦道，“照本宣科，我们可听不懂。”
“那就说个简单的例子吧。极光。”韩一迈笑了笑。
“极光就是韧致辐射？”南李丽很意外，“你刚才可说了，大气里的电子产生了X光了，现在怎么又成了极光了？”
“首先，韧致辐射的能力，跟带电粒子的质量有关。质量越大，辐射能力越低。这中间有数学描述，省略不说了。”韩一迈道，“极光是太阳风产生的。因为地球有磁场，所以太阳风向地球两极跑。这个你知道吧？”
“洛伦兹力。”南李丽点了点头。
“好极了。”韩一迈喜道，“太阳风可以大致认为是氢原子的等离子体，也就是说质子和电子都分离了，高速飞行到了地球。这些质子进入北极圈，跟空气发生碰撞，产生韧致辐射。但是质子的质量是电子的1800多倍，所以减速的时候辐射能力很低，发出来的光子，有很多可见光。这就是极光。”
“电子就不行了。”南李丽道。
“电子质量低，所以韧致辐射能力很强，发出来的就不是可见光，而是X射线了。”
“好吧。我想我大致明白了。”南李丽若有所思地点了点头。
“为公主的睿智鼓掌。”
“得了吧。你不说我笨，我就很高兴啦。然后呢？”
“这些通过电子和正电子的韧致辐射产生的X光，能量仍然很高，与大气分子继续碰撞，还会产生很多正负电子对儿，但同时也可能被散射，从分子里打出一个电子来，稍稍损失一点能量。这种散射被称为康普顿散射。能量过低的X射线，会被分子完全吸收，同时也放出一个电子来，这个过程称为光电效应。顺便说一句，爱因斯坦就是因为解释了光电效应，获诺贝尔奖。”
“不是因为相对论吗？”佟琳道。
“没有。相对论当年没几个人懂，很多那个时代的大科学家反对给相对论颁奖。所以老爱的诺贝尔奖，是因为解释了光电效应。”
“我越听越糊涂。又是什么散射，又是光电效应。到底最后怎么样了？”南李丽皱眉道。
“事实上，人类不可能跟踪每一个次级粒子，毕竟太复杂了。但是我们可以用计算机进行模拟，看一看最终产物是什么。这种模拟有很多随机性，因为任何一个次级粒子，下一步会发生什么，有各种可能性。计算机随机地给出不同的概率，进行下一步的计算。这样的模拟过程，被称为‘蒙特-卡罗’模拟。”
“蒙特-卡罗？”南李丽仔细回想，“这个名字我好象也听说过。”
“这个词儿源于赌场。”韩一迈笑道，“欧洲的赌场几百年了，比如轮盘赌，需要计算各种各样的可能性，这样庄家制造赌局，虽然表面上有进有出，但实际上总能赢钱。久而久之，蒙特-卡罗算法，就成了计算各种随机概率的算法名称。”
“太棒了。”佟琳叹道，“欧洲人把什么都算的那么精准。”
“根据蒙特-卡罗的结果，一个100亿电子伏的伽马光子，进入大气层以后，大概要碰撞15次左右，才能到达地球表面。这中间有非常复杂的过程，就象我刚才说的，正负电子对儿，康普顿散射，轫致辐射，电离，光电效应，都可能发生。每碰撞一次，就产生一批能量低一点的次级粒子。这些次级粒子会继续碰撞，直到地面。所以，次级粒子数量，大致呈几何级数增长。比如这次的次级粒子有10个，下一次碰撞就大致有100个，第三次可能就有1万个，第四次呢，一亿个。以此类推。到了地面的时候，就变成了一场粒子雨，瞬间淅淅沥沥地全落下来，方圆一大片，几十平米都有可能。”
“一个伽马光子变成一场粒子雨。很生动。”南李丽微笑道，“你很会讲。”
“谢谢。如果我们能跟踪这些从外太空进入大气层的伽马光子，就会发现，每一个伽马光子在大气层的路径，都近似为一个圆锥形，地表就是圆锥的底了。每碰撞一次，次级粒子就增加一些，最后一次碰撞产生的粒子雨，就覆盖了这个大圆锥的底部。”
这个描绘很形象。佟琳原本听得云山雾罩，此时却有一丝明晰的感觉。南李丽点了点头，她确实听懂了。
“现在回过头来看一下这些次级粒子，绝大部分都是带电的，而且有质量。刚才说了，因为动能很大，这些次级粒子基本上是以光速飞向地表，直到产生下一次碰撞。光在真空中传播的速度是每秒30万公里，在空气里要低于这个速度。这样，这些次级粒子的速度，很可能会比光在空气里传播的速度还要高。换句话说，这些粒子的速度更无限接近真空里的光速。”
“那又怎么样？”南李丽托着下巴问。
“如果一个带电粒子在空气中的速度，超过光在空气里的速度，这个带电粒子会自然地发射出一种紫色的可见光，称为切伦科夫光，或者叫切伦科夫辐射。如果我们从一开始就追踪这些不断产生的切伦科夫辐射，就会发现，这也是一个圆锥的形状。”
“啊。说到现在，我好象真的明白了。”南李丽欣喜道，“所以望远镜里那些镜片就是来收集这些切伦科夫光的。因为这些辐射是可见光，所以要用镜子。”
“基本如此。”韩一迈点了点头，“如果一个圆锥切一刀，会出现什么形状？佟琳，你觉得呢？”
“看你怎么切了。”佟琳思忖着，“只要不是竖着切，应该是椭圆，或者圆吧？”
“对。这个望远镜做成了太阳灶的形状，所有的镜面都对准了同一个焦点平面。这样所有镜子收集到的切伦科夫光，会在这个平面瞬间成像。如果真是伽马光子，这个像应该是圆形或者椭圆形。”
“肯定是啊。还可能是别的形状吗？”南李丽道。
“事实是，出现圆形或者椭圆形的几率非常低。因为99%以上都是宇宙线，属于噪音。”
“什么是宇宙线？”佟琳好奇道，“总听说这个词，不知道是什么。”
“简单说，就是能量很高的带电粒子。90%的宇宙线是太阳风，也就是从太阳喷出来的等离子体，包括电子和质子，数量上各占一半。但是电子质量小，很容易漂移，所以一般讲太阳风，基本上说的是质子流。”
“那你刚才说的X射线，伽马射线，不也是宇宙线么？”
“不是。宇宙线，一般是指从外太空来的，高能带电粒子。X射线，伽马射线都是光子，光子不带电，所以不是宇宙线。”
“那还得从宇宙线里把伽马射线挑出来。”南李丽思忖道。
“对。宇宙线进入大气层，比如一个高能的质子，也会产生一大片粒子雨，但是这种切伦科夫光所呈的像是奇形怪状的，因为反应更复杂，有核子参与，所以粒子雨不是规则的圆或者椭圆。这样很容易区分。”
“还有一个问题。最后一个了。”南李丽道，“我真应该记在本子上，还好想起来了。”
“说。”韩一迈装模作样地打了个哈欠，“你折磨我一中午了。苦日子终于到头了。”
“别那么不耐烦。”南李丽笑道，“你很有天分，能把无知女孩子说明白了。”
“不敢当。差远了。”
“不要假惺惺的谦虚。”
“就是。我听得挺高兴的。”佟琳也道，“以前我不喜欢物理，现在明白了，那是因为老师不行，他们可能自己也不懂，讲不明白，那我怎么可能有兴趣呢？师傅，你讲得真的好。”
“是么。这让我倍感欣慰。”韩一迈躺在椅子背上，“快去给师傅倒一缸子白开水吧。说得渴了。”
佟琳应了一声，很快取来的暖水瓶，先给韩一迈倒了一缸子水，又把自己的缸子倒满。韩一迈道了谢，扭头对南李丽道：“好了，你的最后一个问题。”

贴主:皇极藏木于2023_10_12 17:58:58编辑