來(lái)源：科學(xué)大院
1808年，道爾頓（John Dalton）在他的《化學(xué)哲學(xué)新體系》中提出了近代原子論，認(rèn)為化學(xué)元素由大量微小的、不可再分的原子組成 ，原子論在當(dāng)時(shí)很好地解釋了化學(xué)元素有固定質(zhì)量比的難題。但直到19世紀(jì)末，一百年過去了，原子的觀念非但沒有被廣泛接受，還成了科學(xué)家們爭(zhēng)論不休的核心。馬赫等科學(xué)家認(rèn)為不能把從未被直接觀測(cè)到的原子寫入理論中。玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）利用原子假說建立熱現(xiàn)象的理論，結(jié)果遭到了馬赫追隨者的激烈抨擊。普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）在《科學(xué)自傳》中回憶：“人們對(duì)原子論不僅冷淡，在某種意義上甚至是抱著敵對(duì)的態(tài)度?！?/p>
然而，19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)，一下子改變了這一切。通過電子、X射線和放射性的發(fā)現(xiàn)，人們不但承認(rèn)物質(zhì)是由原子構(gòu)成，甚至還動(dòng)搖了原子不可分割的舊觀念，原子內(nèi)部的秘密被這三大發(fā)現(xiàn)撕開了一道口子。
湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子
英國(guó)劍橋大學(xué)有一個(gè)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室（Cavendish Laboratory），于1871年由當(dāng)時(shí)劍橋大學(xué)校長(zhǎng)威廉·卡文迪許捐贈(zèng)建立，是世界上最著名的實(shí)驗(yàn)室之一。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室有多牛呢，我們來(lái)看看?？ㄎ牡显S實(shí)驗(yàn)室的第一任主任是麥克斯韋（James Clerk Maxwell），他建立的電磁理論是經(jīng)典物理的重要支柱，也是19世紀(jì)最光輝的成果，使我們從蒸汽文明的時(shí)代，跨入了現(xiàn)代電氣文明的時(shí)代。當(dāng)我們?cè)谑褂秒娔X、微波爐、5G手機(jī)、聽著電視新聞的時(shí)候，都要感謝麥克斯韋的方程組。圍繞麥克斯韋方程的爭(zhēng)論，還導(dǎo)致了狹義相對(duì)論的產(chǎn)生。
圖1 左：卡文迪許實(shí)驗(yàn)室；中：麥克斯韋（sciencephoto.com）；右：瑞利
第二任主任是瑞利男爵三世（John Strutt， 3rd Baron Rayleigh），瑞利曾和拉姆賽一起發(fā)現(xiàn)了空氣中的惰性氣體，獲得1904年諾貝爾獎(jiǎng)。著名的“瑞利散射（Rayleigh scattering）”解釋了晴朗的天空為何是藍(lán)色的。
第三任主任就是湯姆遜（Thomson，Joseph John）。在他擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任期間，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室蓬勃發(fā)展起來(lái)，大量?jī)?yōu)秀的年輕人來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，并做出了很多偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。湯姆遜本人因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)電子獲得1906年諾貝爾獎(jiǎng)。他還有個(gè)很有名的學(xué)生，叫盧瑟福（Ernest Rutherford），因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)原子核、質(zhì)子，以及其它放射性方面的貢獻(xiàn)而獲得1908年諾貝爾獎(jiǎng)，被人們稱為原子核物理之父。后來(lái)，查德威克（James Chadwick）發(fā)現(xiàn)中子獲得了1935年的諾貝爾獎(jiǎng)，這樣原子的全部組分都是在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室找到的。從1904年至1989年的85年間，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室共產(chǎn)生了29位諾貝爾獎(jiǎng)得主，占劍橋大學(xué)諾獎(jiǎng)總數(shù)的三分之一，碩果累累的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室對(duì)近代物理的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。
實(shí)際上在湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子的實(shí)驗(yàn)之前，“電子”的概念就已經(jīng)提出來(lái)了。1881年斯通尼（George Johnstone Stoney）在研究法拉第電解定律時(shí)發(fā)現(xiàn)：1摩爾任何原子的單價(jià)離子帶電量相同，這個(gè)電量被稱為法拉第常數(shù)F。但1摩爾原子的數(shù)目也是常數(shù)——阿佛加德羅常數(shù)NA，兩個(gè)常數(shù)相除，得到的就是每個(gè)單價(jià)離子的電荷量，它也是一個(gè)常數(shù)，這豈不就意味著存在一個(gè)“最小的基本電荷單位”—— e=F/NA。斯通尼把這個(gè)電荷的最小單位命名為“電子”。最后，是湯姆遜從實(shí)驗(yàn)上證明了電子確實(shí)存在。
圖2 湯姆遜1897年實(shí)驗(yàn)中使用的陰極射線管示意圖
1897年，湯姆遜自己設(shè)計(jì)了一個(gè)陰極射線管（圖2），在管子一頭裝上陰極和陽(yáng)極，陽(yáng)極上開一條細(xì)縫。通電后從陰極發(fā)出的射線穿過細(xì)縫A、B成為細(xì)細(xì)的一束，直射到玻璃管的另一端。這一端的管壁上再涂上熒光物質(zhì)，或者裝上照相底片。這套設(shè)備就能用來(lái)精確測(cè)定打到熒光屏上的陰極射線的位置。在射線管的中部裝有兩個(gè)電極板C、D，加上電壓以后產(chǎn)生電場(chǎng)E。湯姆遜在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，陰極射線在電場(chǎng)作用下從熒光屏的P1偏到了P2，說明陰極射線帶的是負(fù)電（我們?cè)谶@里把陰極射線粒子的電量寫為e）。
湯姆遜還在管外加了一個(gè)與紙面垂直的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。調(diào)節(jié)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度，使電力和磁力正好相互抵消eE = evB，陰極射線又從P2又回到P1，不再偏轉(zhuǎn)。因?yàn)殡妶?chǎng)E和磁場(chǎng)B都是已知的，這樣湯姆遜就測(cè)出了陰極射線的速度 v = E/B。
當(dāng)時(shí)湯姆遜得到的陰極射線速度大約為3萬(wàn)公里/秒，相當(dāng)于光速的1/10。然后湯姆遜去掉電場(chǎng)或磁場(chǎng)，根據(jù)陰極射線偏轉(zhuǎn)量可測(cè)出陰極射線粒子質(zhì)量與電荷的比值。湯姆遜測(cè)得的質(zhì)荷比均值約為1.3×10-11千克/庫(kù)，而現(xiàn)代的值是0.56856×10-11千克/庫(kù)。
湯姆遜又做了很多實(shí)驗(yàn)，看看不同材料的陰極或者不同的氣體會(huì)不會(huì)產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他用金、銀、銅、鎳等各種金屬作陰極，測(cè)量了不同陰極上射出的射線，又把不同的氣體——空氣、氫氣、氧氣、氮?dú)獾瘸涞焦軆?nèi)，陰極上射出的帶電粒子的質(zhì)荷比都是一樣的。這就說明了一個(gè)非常重要的問題：不管陰極射線是由哪里產(chǎn)生的——是由電極產(chǎn)生的還是由管內(nèi)氣體產(chǎn)生的，結(jié)果都一樣。這意味著，在各種物質(zhì)中都有一種質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的1/2000（實(shí)際上是約1/1837）的帶負(fù)電的粒子，它就是電子。
人們對(duì)陰極射線管的研究也有幾十年了，湯姆遜的實(shí)驗(yàn)看起來(lái)也并不是太難，為什么直到湯姆遜才得以實(shí)現(xiàn)呢？最大的原因要?dú)w功于真空技術(shù)的進(jìn)步。19世紀(jì)30年代法拉第做稀薄氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，真空管中的氣壓為100托（1托=1毫米汞柱，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760托）。到蓋斯勒改進(jìn)他的水銀真空泵時(shí)，氣壓可以達(dá)到0.1托，而到湯姆遜做電子實(shí)驗(yàn)時(shí)，真空泵的改進(jìn)已經(jīng)可以達(dá)到10-6托的氣壓。赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）之前曾經(jīng)做過類似實(shí)驗(yàn)，但因?yàn)檎婵斩炔粔驔]有觀察到陰極射線有任何偏轉(zhuǎn)。
1899年，湯姆遜使用他的學(xué)生威爾遜（C.T.R.Wilson）發(fā)明的云室（Cloud Chamber），測(cè)量了電子的電荷和質(zhì)量。威爾遜的云室，是在一個(gè)密閉容器里制造出大的溫度差（圖3），上板熱，下板冷，用酒精之類的蒸汽充滿容器，熱蒸汽下降時(shí)突然遇到下板的低溫環(huán)境，變成過飽和蒸汽。這時(shí)若有高能帶電粒子通過，會(huì)和空氣分子碰撞，使空氣分子電離。入射粒子的運(yùn)動(dòng)路徑上生成大量的正負(fù)離子對(duì)，過飽和的水蒸氣就會(huì)以這些正負(fù)離子為核心凝成霧珠，霧珠我們是能看到的，這樣高能粒子的前進(jìn)軌跡就顯現(xiàn)出來(lái)了。根據(jù)徑跡的長(zhǎng)短、濃淡以及在磁場(chǎng)中彎曲的情況，就可分辨粒子的種類和性質(zhì)了。
圖3左：云室原理；右：一小塊鈾礦石在云室中（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）
湯姆遜和威爾遜測(cè)到的電子的電荷是1×10-19庫(kù)，質(zhì)量在10-31千克量級(jí)。今天測(cè)到的電子電荷約為1.602 176 634×10-19庫(kù)，質(zhì)量9.109 383 7015（28）×10-31千克。
圖4 左：密立根；右上：密立根油滴實(shí)驗(yàn)示意圖；右下：密立根油滴實(shí)驗(yàn)設(shè)備
電子電荷的精確測(cè)定是在1910年由密立根（Robert Andrews Millikan）完成的，就是著名的“密立根油滴實(shí)驗(yàn)”。密立根的方法是湯姆遜和威爾遜方法的改進(jìn)與發(fā)展，他不觀察霧，而是觀察單個(gè)液滴。他所使用裝置如圖4所示。儀器上層，用噴霧器噴出小液滴，一些小液滴通過小孔落入下層兩塊水平金屬板之間的空間。一開始金屬板之間不加電壓。落入的小液滴一方面受到重力作用加速下落，同時(shí)受到空氣的摩擦阻力，根據(jù)斯托克斯定理（Stokes‘ law），球形液滴受到的空氣摩擦力和速度成正比，最終摩擦力等于重力，液滴勻速下落。如果知道空氣的粘滯系數(shù)、液滴密度，通過測(cè)量無(wú)電場(chǎng)時(shí)液滴的末速度，可以得到液滴質(zhì)量。然后密立根給兩塊金屬板加上電壓，形成一個(gè)均勻的電場(chǎng)，用X射線照射金屬板之間的空氣使部分空氣電離，小液滴因此附著上帶電粒子而帶上電荷。通過觀察帶電液滴在電場(chǎng)中上升和下落，可以計(jì)算出液滴攜帶電荷的大小。密立根做了很多次實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果大致為：
Q = 1.6 × 10-19 庫(kù)
Q = 3.2 × 10-19 庫(kù) = 2 × 1.6 × 10-19 庫(kù)
Q = 8.0 × 10-19 庫(kù) = 5 × 1.6 × 10-19 庫(kù)
他發(fā)現(xiàn)所有的電荷，都有一個(gè)公因數(shù)，e=1.6 × 10-19 庫(kù)，任何電荷只能是e的整數(shù)倍，密立根認(rèn)為這個(gè)數(shù)值就是電荷最小基本單位，也是電子帶的電荷。經(jīng)過幾年反復(fù)測(cè)量，密立根測(cè)到電子電荷為 e = 1.592×10-19庫(kù)，很多年來(lái)一直被認(rèn)為值最精確的數(shù)值，直到1929年發(fā)現(xiàn)它低了1%，誤差來(lái)自對(duì)空氣粘性測(cè)量的偏差。密立根的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，電荷是量子化的，存在一個(gè)最小電荷單位。為什么電荷是量子化的？到今天這仍然是一個(gè)沒有解決的難題。1931年狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）根據(jù)量子力學(xué)，提出如果存在磁單極子，可以從理論上圓滿地解釋電荷量子化現(xiàn)象，但是磁單極子的存在至今未被證實(shí)，它也是當(dāng)代物理學(xué)的一個(gè)重要研究課題。
在湯姆遜的時(shí)代，人們知道的最小粒子是氫原子，而湯姆遜測(cè)到的電子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氫原子，大家都認(rèn)為湯姆遜是在“愚弄他們”。當(dāng)時(shí)，德國(guó)的考夫曼（W.Kaufman）也做了類似的實(shí)驗(yàn)，并且得出的質(zhì)荷比遠(yuǎn)比湯姆遜的精確，與現(xiàn)代值只差1%，但他沒有勇氣宣稱自己發(fā)現(xiàn)了新的基本粒子。
湯姆遜勇敢地堅(jiān)持“存在比原子小得多的微?！娮印保l(fā)現(xiàn)電子的實(shí)驗(yàn)是19世紀(jì)末最重要的實(shí)驗(yàn)之一，電子是人們發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)亞原子粒子，新世紀(jì)基本粒子物理的大門從此被打開了。湯姆遜也因此獲得了1906年諾貝爾獎(jiǎng)，威爾遜因?yàn)樵剖液涂灯疹D分享了1927年的諾貝爾獎(jiǎng)。但是如此重要的實(shí)驗(yàn)被1895年底倫琴（W.R?ntgen）的另一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn)沖淡了，大家都爭(zhēng)先恐后地去圍觀X射線的發(fā)現(xiàn)
能穿透身體的射線
1895年11月，德國(guó)維爾茲堡的大學(xué)教授的倫琴對(duì)赫茲和萊納德（Philipp Eduard Anton von Lénárd）用陰極射線穿透鋁箔的實(shí)驗(yàn)非常感興趣，他開始利用萊納德改造的帶鋁箔的陰極射線管重復(fù)他們的實(shí)驗(yàn)。一次，實(shí)驗(yàn)中一個(gè)偶然事件吸引了倫琴的注意，在一片漆黑的房間里，陰極射線管外距離1米遠(yuǎn)的小桌上，一塊涂了鉑氰酸鋇的熒光屏突然發(fā)出了閃光。他感覺很奇怪，就用黑紙把陰極射線管包裹起來(lái)，并把熒光屏移到更遠(yuǎn)距離。但是熒光屏的閃光，仍隨著放電節(jié)奏出現(xiàn)。倫琴取來(lái)各種不同的物品，包括書本、木板、鋁片等等，放在陰極射線管和熒光屏之間，發(fā)現(xiàn)不同的物品遮擋效果很不一樣，紙片和木板都無(wú)法阻擋這種射線，只有較厚的鉛板才能把它完全擋住。倫琴一開始以為它是穿出放電管的陰極射線，但它在磁鐵作用下不偏轉(zhuǎn)，而且熒光屏離開放電管2米遠(yuǎn)依然會(huì)出現(xiàn)熒光現(xiàn)象，這些都說明這種射線不是陰極射線。倫琴意識(shí)到這可能是某種性質(zhì)未知的新射線，它具有特別強(qiáng)的穿透力，就這樣，他發(fā)現(xiàn)了很快為世人所知的X射線。
圖5 左：X射線管示意圖；右：倫琴
面對(duì)這個(gè)新發(fā)現(xiàn)，倫琴激動(dòng)無(wú)比，他一連好幾天把自己關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里集中全力進(jìn)行研究。12月22日，他把夫人邀請(qǐng)到實(shí)驗(yàn)室，用他夫人的手拍下了第一張人手X射線照片（圖6右）。當(dāng)倫琴的妻子第一次看到自己手指骨骼的照片，手上戴的結(jié)婚戒指清晰可見，她大吃一驚。1895年12月28日倫琴把這項(xiàng)成果發(fā)布在維爾茨堡的物理醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)雜志上，宣布自己發(fā)現(xiàn)了一種“新的射線”，倫琴把這種新射線用表示未知數(shù)的“X”來(lái)命名，人們也稱它為“倫琴射線”。后來(lái)，倫琴改造了一種陰極射線管，正對(duì)著陰極安裝了一個(gè)金屬靶子，當(dāng)陰極射線集中射到靶子上的時(shí)候，就會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的X射線。這種裝置現(xiàn)在就叫做X射線管，又叫做倫琴管（圖5）。
圖6 左：19世紀(jì)末，用早期的克魯克斯管設(shè)備拍攝x射線照片，可以看到桌上的魯姆科夫線圈，當(dāng)時(shí)人們還不懂得X射線的傷害，并沒有進(jìn)行防護(hù)；右：倫琴給夫人拍的X射線照片
倫琴當(dāng)時(shí)并不知道，陰極射線實(shí)際上是電子流。由于陰極加熱造成電子脫離原子束縛，在幾千伏到幾十萬(wàn)伏的高壓電場(chǎng)作用下加速，然后穿過幾乎是真空的空間，撞擊到金屬靶上時(shí)，產(chǎn)生X射線。
圖7 （上）左：韌致輻射；右：特征輻射
圖8（下）帶有鎢靶的x射線管在90千伏電壓下發(fā)射的x射線光譜示意圖。平滑連續(xù)的曲線是由于軔致輻射，尖峰是鎢原子特征輻射
倫琴實(shí)驗(yàn)中X射線產(chǎn)生的原因有兩種：
（1）經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)告訴我們，帶電粒子在加速或減速時(shí)，會(huì)輻射電磁波。高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊到金屬靶上時(shí)，受到原子核的散射突然減速，這個(gè)過程會(huì)發(fā)生韌致輻射（bremsstrahlung，也叫剎車輻射），其損失的動(dòng)能會(huì)以X射線波段的光子形式發(fā)出（圖7左）。隨著入射電子與靶核的庫(kù)侖場(chǎng)作用距離不同，入射電子的速度是連續(xù)變化的，所以這種機(jī)理產(chǎn)生的X射線頻譜是連續(xù)變化的，也就是圖8中像小山坡一樣的部分。
（2）疊加在圖8小山坡上的寶塔似的尖峰，是由于加速電壓大時(shí)，能量高的電子把金屬原子內(nèi)層電子撞出，內(nèi)層形成空穴，于是外層電子躍遷回內(nèi)層填補(bǔ)空穴，同時(shí)放出X射線（圖7右）。在《亞原子物理的早期歷史》我們說過，不同能級(jí)之間電子躍遷能量是量子化的，所以放出的光子波長(zhǎng)也集中在某個(gè)波段，就形成了X射線中的特征輻射。
所以X射線的本質(zhì)是波長(zhǎng)比可見光、紫外線更短的電磁波（圖9），波長(zhǎng)范圍一般在0.01納米到10納米。波長(zhǎng)大于0.1納米的稱為軟X射線，波長(zhǎng)短于0.1納米能量較高的常稱硬X射線。
倫琴的發(fā)現(xiàn)在全世界引起了轟動(dòng)，國(guó)內(nèi)外的各大報(bào)刊都在爭(zhēng)相傳播這一消息，在1896年這一年中，至少出版了50本關(guān)于X射線的書以及1000多篇科學(xué)論文和科普文章。人們對(duì)這種新射線無(wú)比驚訝，任何東西對(duì)X射線來(lái)說都是透明的，透過X射線能看到自己的骨骼，人們立即意識(shí)到了X射線對(duì)醫(yī)學(xué)的價(jià)值。很快，就有醫(yī)生用X射線檢查受槍傷的病人身體里是否留下子彈。今天，在醫(yī)療透視、安檢、電子產(chǎn)品檢驗(yàn)……各個(gè)領(lǐng)域我們都能看到X射線的身影。
圖9 X射線是電磁波譜的一部分，X射線不同部分對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域
X射線在天體物理有廣泛的應(yīng)用，它往往和天體的高溫、高能過程相聯(lián)系。
例如中子星、黑洞這類具有超強(qiáng)引力的致密天體，會(huì)通過引力吸引積聚周圍的塵埃和氣體（圖10）。由于致密天體引力大，體積小，引力勢(shì)能釋放的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒星中氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻?yīng)的效率。一顆太陽(yáng)質(zhì)量的中子星，它的半徑只有10公里大小，吸積過程中的引力勢(shì)能釋放效率比熱核反應(yīng)約高20倍。物質(zhì)在落向中子星、黑洞的過程中會(huì)圍繞其旋轉(zhuǎn)，形成吸積盤。引力勢(shì)能的釋放使得吸積盤中的物質(zhì)高速運(yùn)動(dòng)，相互摩擦碰撞導(dǎo)致溫度升高，電離成為等離子體，高能電子在離子作用下產(chǎn)生加速度，從而通過韌致輻射發(fā)射X射線。
所以，通過X射線波段的觀測(cè)可以對(duì)恒星級(jí)黑洞、中子星、星系核級(jí)黑洞開展研究，這使得本來(lái)只是理論推測(cè)的黑洞成為可實(shí)在搜尋和探測(cè)的對(duì)象，由此產(chǎn)生了建立在天文觀測(cè)堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上的黑洞天體物理學(xué)。
圖10 黑洞吞噬恒星的藝術(shù)假想圖（NASA/CXC/M.Weiss）
下圖是錢德拉X射線天文臺(tái)（Chandra X-ray Observatory）分別于2018年11月和2019年2月、5月、6月在0.3~8keV的X射線波段捕捉到的黑洞及其伴星系統(tǒng)MAXI J1820+070以接近光速拋射物質(zhì)的畫面，天文學(xué)家將其合成了動(dòng)畫。這個(gè)黑洞就在銀河系內(nèi)，距離地球約1萬(wàn)光年，其質(zhì)量是太陽(yáng)的8倍，是一個(gè)由大質(zhì)量恒星毀滅形成的恒星級(jí)黑洞。環(huán)繞黑洞運(yùn)行的伴星質(zhì)量大約是太陽(yáng)的一半，它身邊的黑洞正借助強(qiáng)大無(wú)比的引力，慢慢把這顆伴星的物質(zhì)拉到吸積盤上，一點(diǎn)點(diǎn)將其吞噬。吸積盤上大部分物質(zhì)最終會(huì)落入黑洞視界內(nèi)，少部分物質(zhì)通過黑洞南北兩極垂直于吸積盤的噴流重新拋射回到宇宙空間。
圖11 錢德拉X射線天文臺(tái)拍攝到黑洞以接近光速拋射物質(zhì)并合成的動(dòng)畫（X射線圖像： NASA/CXC/Université de Paris/M。 Espinasse et al。； 光學(xué)/紅外圖像：PanSTARRS）
上圖的背景圖像是由夏威夷的PanSTARRS光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝的銀河系的光學(xué)/紅外圖像，MAXI J1820+070位于銀河系平面上方，用一個(gè)十字標(biāo)出。從黑洞噴出的物質(zhì)有多快呢？天文學(xué)家們從X射線的圖像中計(jì)算出，從地球的角度來(lái)看，北噴流的速度是光速的60%，而南噴流的速度是光速的160%。大家一定很奇怪：根據(jù)狹義相對(duì)論，信息傳遞的速度不是不能超過光速嗎？為什么噴流速度能達(dá)到1.6倍光速呢？實(shí)際上，這是一種“視超光速”現(xiàn)象，是因?yàn)槟蠂娏髦赶蛭覀?，而北噴流離開我們，噴流速度極快接近光速，而噴流的方向與我們的視線方向有一個(gè)小的夾角，最后造成南噴流超光速，并且比北噴流更快的錯(cuò)覺。實(shí)際上MAXI J1820+070事例中，南北噴流的速度大約在80%光速以上。我們可以通過下面這個(gè)定性的說明來(lái)理解視超光速現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。
圖12 視超光速產(chǎn)生的原因
如上圖，假如黑洞A距離地球6光年，它的噴流和視線方向有個(gè)小夾角θ，吸積盤發(fā)出的光，用了6年時(shí)間到達(dá)地球上的觀測(cè)者，而黑洞噴流在這6年中從A實(shí)際上是到達(dá)了5光年遠(yuǎn)處的B，噴流實(shí)際速度是v=5光年/6年=5c/6，其中c是光速。FB=3光年，AB=5光年，則BD=4光年。B點(diǎn)距離地球2光年。B點(diǎn)發(fā)出的光在人們看到A點(diǎn)的光2年后到達(dá)地球，在地球上的觀測(cè)者看來(lái)，噴流就好像用2年時(shí)間從A到達(dá)D，速度為v視=3光年/2年=1.5c。這就是黑洞噴流看起來(lái)超過光速的原因了。
圖13 子彈星系團(tuán)顯示兩個(gè)星系碰撞后的質(zhì)量分布。粉色來(lái)自X射線波段觀測(cè)，描繪重子物質(zhì)；藍(lán)色來(lái)自弱引力透鏡觀測(cè)，描繪暗物質(zhì)分布。（X射線圖像： NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al。； 光學(xué)圖像：NASA/STScI； Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al。；引力透鏡圖像：NASA/STScI； ESO WFI； Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al。）
X射線觀測(cè)還是研究星系團(tuán)中暗物質(zhì)的重要手段之一。星系團(tuán)內(nèi)部有上百至上千個(gè)星系，分布在其中的質(zhì)量形成勢(shì)阱，使物質(zhì)分布向中心聚集。星系團(tuán)內(nèi)部有很多的發(fā)光天體，還分布著大量的星系際氣體。最近的研究發(fā)現(xiàn)，星系團(tuán)內(nèi)的氣體質(zhì)量竟然是發(fā)光天體質(zhì)量總和的3到5倍[15]。如果我們只從光學(xué)波段去觀測(cè)星系團(tuán)，而不考慮團(tuán)內(nèi)的氣體，那是無(wú)法研究星系團(tuán)內(nèi)的引力勢(shì)阱的。星系團(tuán)內(nèi)的氣體在引力作用下向團(tuán)內(nèi)坍縮形成高溫氣體，當(dāng)溫度大于約一百萬(wàn)K的時(shí)候就會(huì)有明顯的X射線發(fā)射，所以從X射線波段才能最直接地得到團(tuán)內(nèi)氣體分布。
上圖是用不同的方式觀測(cè)子彈星系團(tuán)（1E 0657-56）得到的合成圖，也是目前很多科學(xué)家承認(rèn)的暗物質(zhì)存在最直觀的證據(jù)。子彈星系團(tuán)是兩個(gè)星系碰撞后的殘留物，一個(gè)較小的“子彈”穿過一個(gè)更大的星系團(tuán)，碰撞產(chǎn)生的巨大能量使兩個(gè)星系團(tuán)內(nèi)的普通物質(zhì)加熱到極高的溫度，在X射線波段劇烈發(fā)光（圖13中紅色部分）。另外這兩個(gè)星系團(tuán)由于質(zhì)量巨大，就好像一塊引力透鏡，會(huì)讓星團(tuán)背后的星系發(fā)往地球的光線產(chǎn)生彎折。以后我們會(huì)介紹，目前觀測(cè)到的宇宙中暗物質(zhì)質(zhì)量大約是普通的物質(zhì)的5倍，通過觀測(cè)這些光線彎折的引力透鏡效應(yīng)，科學(xué)家們可以得到子彈星系團(tuán)的質(zhì)量分布（圖13中藍(lán)色部分），主要是暗物質(zhì)的分布。由于暗物質(zhì)和普通物質(zhì)之間除了引力沒有其它的相互作用，在碰撞中，普通物質(zhì)發(fā)熱、粘在一起，速度減慢了，而暗物質(zhì)則穿過去，結(jié)果就形成了圖13中觀測(cè)到的紅、藍(lán)分離的效果。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果，用暗物質(zhì)理論可以給出很好的解釋，若要用暗物質(zhì)以外的其它替代理論，那必須要對(duì)子彈星系團(tuán)的觀測(cè)做出合理解釋，才能被大家所接受。
圖14 天體的電磁輻射和地球的大氣吸收
X射線是傳統(tǒng)的光學(xué)波段之外有力的天文觀測(cè)武器，除了上面說到的致密天體吸積和星系團(tuán)中的暗物質(zhì)，我們還可以通過X射線觀測(cè)研究太陽(yáng)日冕和耀斑、激變變星、超新星遺跡、射電脈沖星等等。但是在地面上無(wú)法進(jìn)行X射線觀測(cè)，因?yàn)榇髿鈱訒?huì)對(duì)X射線劇烈吸收（圖14），所以要觀測(cè)X射線，必須發(fā)展空間天文設(shè)備。
圖15 中國(guó)硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）衛(wèi)星模擬示意圖
鑒于X射線觀測(cè)的重要性，我國(guó)在2016年發(fā)射了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT），俗稱“慧眼”（圖15），它可以開展寬波段、大視場(chǎng)的X射線巡天，對(duì)黑洞、中子星、伽瑪暴、X射線雙星、銀河系內(nèi)X射線輻射源等開展深入的研究。HXMT的成功發(fā)射和運(yùn)行，使我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈的的高能天體物理觀測(cè)領(lǐng)域占有了重要的一席之地。
19世紀(jì)末的人們無(wú)法理解，陰極射線打在金屬原子上，為什么會(huì)釋放出如此奇異的X射線，這射線從何而來(lái)？倫琴自己也沒有意識(shí)到，自己的發(fā)現(xiàn)揭開了歷史新的一頁(yè)，之后不久，新的自然定律（相對(duì)論、量子論）、新的物質(zhì)形式、關(guān)于宇宙作用力的解釋會(huì)先后登上歷史舞臺(tái)。因?yàn)閄射線的發(fā)現(xiàn)，倫琴獲得了1901年也是歷史上第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。
世紀(jì)末的危機(jī)
一個(gè)世紀(jì)快過去了。站在19世紀(jì)的末端，我們看到在這個(gè)世紀(jì)，麥克斯韋、法拉第、赫茲等人建立起了電磁理論，焦耳、亥姆霍茨、克勞修斯等人建立起了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。而在世紀(jì)之初，道爾頓提出了原子理論，之后門捷列夫制出了元素周期表。大家覺得物質(zhì)世界的規(guī)律基本搞清楚了，可以休息休息啦。
人們剛剛才接受原子論的觀點(diǎn)，認(rèn)為宇宙萬(wàn)物就是由元素周期表上的元素構(gòu)成，這些元素的最小微粒是原子，原子是不可分割的。但是電子的出現(xiàn)，把這個(gè)理論撕開了一個(gè)缺口。湯姆遜的實(shí)驗(yàn)告訴大家，所有元素的原子內(nèi)部，都有電子，原子不再是不可分割的。而倫琴發(fā)現(xiàn)的X射線更為奇特，這種射線從原子內(nèi)部發(fā)射出來(lái)，幾乎可以穿透任何東西，讓人們開始懷疑原子內(nèi)部是否別有洞天。
下一回中，我們會(huì)介紹，貝克勒爾、居里夫婦發(fā)現(xiàn)有些原子還具有天然的放射性。元素鈾、鐳、釙等持續(xù)不斷地輻射能量，釋放出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過那個(gè)時(shí)代所知的任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能放出的能量，這讓人們對(duì)能量守恒的信仰產(chǎn)生了動(dòng)搖。這些能量的來(lái)源究竟是什么？
在電子、X射線、放射性的背后，隱藏著一個(gè)人們還不了解的物質(zhì)世界。人們即將進(jìn)入新的世紀(jì)，在這個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的世界，這個(gè)世界就在原子的內(nèi)部。
