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第3章 镜子啊墙上的镜子正电子（第1页）

第3章镜子啊，墙上的镜子——正电子

在科学史上，很少有一个方程能预测这么多新奇的东西。“科学有一种迷人的魅力，”马克·吐温说，“根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多收获!”科学上没有任何类似的东西能比狄拉克方程更正确了。

我认为，反物质的发现可能是本世纪物理学所有重大成果中最大的飞跃。

——沃纳·海森堡（WernerHeisenberg）[25]

“你是怎么找到狄拉克方程的，狄拉克教授？”

“我觉得它很美。”

——保罗·狄拉克（PaulDirac）[26]

1932年8月2日，加利福尼亚州帕萨迪纳

正电子（positron）的发现是一扇眺望新世界、新宇宙的窗户。如果在英国的那个古怪家伙看到那张照片，应该立刻能意识到它的意义，但是远在6000英里（约9700千米）外的美国人看着照片只觉得它非同寻常。这位年轻的美国人就是物理学家卡尔·安德森（derson）。此刻，安德森正坐在加州理工学院古根海姆航空实验室（GuggeicsLaboratory）三楼的办公桌前，在看他经过坚持不懈、努力工作才得到的一张照片。安德森放下照片，开始写论文。这篇论文不仅在未来让他扬名立万，还让他成为有史以来最年轻的诺贝尔物理学奖得主之一。

这一切都要从罗伯特·密立根（RobertMillikan）开始讲起。密立根是一位魅力非凡的物理学家。正是他的不懈努力，使帕萨迪纳市的施罗普学院变成了后来世界闻名的加州理工学院，简称加州理工（Caltech）。让密立根十分感兴趣的是奥地利物理学家维克托·赫斯（VictorHess）在热气球上做实验时发现的神秘的辐射，这种辐射随着海拔的升高而变得越来越强，这表明这些辐射并非来源于地面，而是来源于太空。

1912年，赫斯发现这种辐射的时候，人们对辐射的认识都来自不稳定的元素或称为放射性元素，如铀、钍和镭。这些元素的核心或原子核以阿尔法粒子（α粒子或氦核）、贝塔粒子（β粒子或电子）和伽马射线（γ射线或高能光子）的形式发射出亚原子子弹。这三种类型的辐射在穿过空气时，都会使原子电离并溅射出电子。这些电子可以用验电器（electroscope）探测到，或使盖革计数器发出咔咔声。赫斯发现的宇宙射线（icrays）——密立根在1925年发明的一个朗朗上口的名字——可产生酷似放射元素辐射时发生的电离现象。

1929年底，密立根问博士快毕业的安德森是否有兴趣研究宇宙射线，这对年轻的学生来说是求之不得的事情。这位加州理工学院的校长因为测量了电子的电荷而获得了1923年的诺贝尔物理学奖，安德森对他敬畏有加。[27]

密立根认为，宇宙射线是高能γ射线，其能量比地球上发现的任何射线都要高得多，而宇宙射线碰撞到的电子会反弹，就像台球被母球击中后弹开一样。通过测量这种康普顿散射（pt）[1]电子的能量，就有可能估测γ射线的能量。密立根建议安德森使用云室（ber）来完成这项任务。这个由查尔斯·威尔逊（CharlesWilson）于1911年在剑桥发明的非凡装置，可以揭示亚原子粒子的径迹。其原理很简单，是直接效法自然而得的。在自然中，湿润的空气上升，温度渐渐降低，此时，空气会凝结成水珠，从而形成云。威尔逊模仿了这一过程：将湿润的空气注入玻璃汽缸，然后拉动活塞，让汽缸内的气体体积迅速膨胀，此时水蒸气会迅速冷却凝结成水珠。

然而要发生凝结，还需要“种子”，比如一粒尘埃，以它为凝结核，水蒸气才会形成水珠。假如水蒸气很纯净，不含杂质，就无法凝结成水珠。在云室中，凝结核可以由电离辐射从原子中剥离电子时产生的微小带电离子提供。

威尔逊用超纯水蒸气填满玻璃汽缸，并将其冷却到通常水珠凝结的温度以下。在这种过冷（supercooled）状态下，水蒸气会以离子为核心迅速凝结，凝结过程在威尔逊云室膨胀冷却的瞬间就完成了。

事实证明，操作这套装置与其说是科学，不如说是艺术。用光照亮云室，就能拍摄到亚原子粒子经过时留下的串珠状的细小水珠径迹。鉴于亚原子微粒小得难以置信，比肉眼可见的最小颗粒还要小1万亿倍，能够拍摄到这些微粒的径迹是一项惊人的成就，威尔逊因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖。

密立根明白，如果水珠稀疏，形成的径迹比较细，那么粒子携带的电荷就较小；假如水珠密集，形成一条较粗的径迹，粒子携带的电荷就相对较大。虽然电荷的大小有助于识别宇宙γ射线产生的粒子，但并不足以确定粒子的身份。因此，密立根建议安德森将云室置于磁场中。这将使亚原子粒子的径迹弯曲，低动量的粒子比高动量的粒子更容易弯曲（动量是物体质量和速度的乘积，它表明缓慢移动的重物体和快速移动的轻物体一样，难以改变运动方向）。

然而，宇宙射线及其亚原子碎片的穿透力极强，能够轻松穿过密度很高的厚厚的铅板，这表明这些射线能量巨大，而且速度极快。这样快速移动的粒子穿过云室的时间很短，意味着一般的磁场几乎没有机会使其发生明显的弯曲，产生可测量的偏转的唯一方法是使用最强的磁场。

这个实验是一项巨大的挑战。仅在鲁滨逊天体物理实验室（RobinsonLaboratoryofAstrophysics）里组装仪器，就花了整整一年的时间。该实验室原本是为了在圣地亚哥附近的帕洛马山天文台（MountPalomarObservatory）建造一个世界一流的5米望远镜而建立的。[28]1929年10月29日，华尔街股市全面崩盘拉开了经济大萧条的序幕，此时实验经费开始变得紧张，安德森不得不从当地的废品场为实验搜罗材料。幸运的是，他早就有用废弃设备即兴创作的经历，在洛杉矶读高中的时候，就曾经用从汽车修理厂讨来的废旧汽车电池改装出了电学实验的动力装置。[29]

安德森的云室就像一个很浅的饼干盒，深3厘米，长17厘米，嵌在一个螺线管中。螺线管上紧密缠绕的铜线圈通电时，磁场垂直于长径穿过云室。电流越大，磁场就越强，而加州理工学院能提供的最大电流是由古根海姆实验室中驱动风洞的425千瓦发电机产生的。为此，安德森把云室安装在了航空学大楼里。

巨大的电流产生了大量的热，这是安德森面临的另外一个严重的问题。为了防止设备过热，必须用水泵通过缠绕在螺线管周围的螺旋形管道输送冷却水。尽管核心设备——云室——的直径比茶盘大不了多少，但最终，整个设备的重量接近2吨。

设备运行时，场面有些吓人。冷却水以每分钟40加仑（约0。15立方米）的速度抽进来，通过线圈时，被强大的电流加热到接近沸腾，然后用管道输送出实验室，沿着古根海姆实验室的外墙，越过马路，流入邻近的加利福尼亚大街（现在的加利福尼亚大道）另一边的下水道。因为古根海姆实验室的发电机白天要为风洞供电，安德森别无选择，只能在晚上工作。夜幕下，当地的居民看到奥尔登路边一排耸立的棕榈树之间升腾起滚滚的蒸汽时，感到十分恐惧。密立根施展了个人魅力和外交手段，颇费了些周折，才让居民们相信这不会给他们的生命带来任何危险。

更引人注目的是，从古根海姆实验室三楼的窗户里断断续续地射出超新星般的亮光。[30]那是安德森正在使用一盏大功率的弧光灯来照亮粒子径迹，以改善拍摄效果。对于那些在加州理工学院新雅典娜俱乐部享用晚餐后，惬意地在奥利弗小道上漫步的人来说，这就好像是弗兰肯斯坦的怪物复活时的情景。如果此时有人登上古根海姆实验室三楼的楼梯，看到身穿白大褂、戴着焊接眼镜的安德森蹲在设备的线圈旁边的景象，他们也许会惶恐不安的。

宇宙射线实验的成功率低得令人无法相信。来自太空的粒子不可预测，所以安德森永远不可能知道粒子什么时候穿过云室。安德森唯一能做的就是随机启动活塞，同时用灯光照亮云室拍照，然后等待奇迹的出现。不出所料，大部分照片都是空白的。事实上，一年之后，在安德森拍摄的1300张照片中，只有15张照片包含他感兴趣的东西，成功率稍高于1%。这正应了托马斯·爱迪生（ThomasEdison）的那句名言：“天才是1%的灵感加上99%的汗水。”

然而，就在那少得可怜的十几张照片中，可以看到一种在15000高斯的强大磁场中缠绕得十分紧密的螺旋径迹。留下这种径迹的是一种小质量、低动量的粒子，它只可能是电子，并由宇宙射线与云室中的原子核（atomiucleus）碰撞产生。但是安德森注意到一件奇怪的事情：照片上除了电子在磁场中的螺旋径迹外，几乎每张照片上都有一种与电子径迹相同，但沿相反方向旋转的粒子径迹。这只能说明它是一个带正电荷的粒子，因为磁场会使带正电荷的粒子向相反方向偏转（而电子总是带负电荷）。径迹的粗细程度表明，这种粒子携带的电荷数量与电子的完全相同。但存在带正电荷的电子的想法太可笑了，根本就不值得考虑，安德森的实验一定出了什么问题。

作为实验人员，密立根一丝不苟，但他爱钻牛角尖，判断力较差。密立根简单地认为：宇宙射线是宇宙深处原子诞生时产生的γ射线。[31]如果真如他想象的那样，那么每个γ射线的高能光子应该只会给单个电子狠狠一击。然而，这个想法与安德森的照片大相径庭。照片显示产生了数量大致相等的正负粒子，而且这些粒子的径迹常常是从同一点射出的。

当时质子是唯一已知的带正电荷的粒子，但质子的质量大约是电子的2000倍。安德森拍摄的粒子径迹曲率很大，表明这个神秘粒子比质子轻得多。

查看那些径迹时，密立根对这个反旋粒子的运动方向提出了质疑。他认为，从云室底部的玻璃上反射回来的γ射线有可能使电子向上加速运动，这样也能造成反旋的径迹。密立根的理由是，磁场对从下向上运动的电子的偏转效果与对从上向下运动的正电子的是相同的。

用简单的方法就可以验证这一假设。安德森在云室中间沿着磁场方向插入了一块铅板，当粒子穿过铅板时，速度自然会变慢，之后在磁场中停留的时间会更长，径迹会更弯曲。更弯曲的径迹来自穿过铅板的粒子，据此可以指出粒子的运动方向。

当安德森对实验设备进行改造时，1932年7月30日，奥运会正在附近的洛杉矶如火如荼地进行着。由于经济大萧条，相较1928年在阿姆斯特丹举行的奥运会，只有一半的运动员有钱参加洛杉矶奥运会比赛。为了节省开支，帕萨迪纳市的玫瑰碗体育馆（RoseBowlStadium）被改建成了自行车比赛场地。玫瑰碗离加州理工学院不远，如果有空闲时间的话，安德森很想去看看自行车比赛。奥运会热闹非凡，而在圣盖博山脚下的加州理工学院的校园显得寂寥无声。不仅学生们放假离校了，而且因为7月的酷暑，许多教职员工也都外出度假了。

安德森没有离开，他依旧坚持埋头苦干，再次拍了很多照片，尽管大部分都是无用的。但是，在1932年8月2日，安德森得到了一张让他激动的照片。现在，他正盯着这张照片，开始写论文的引言。

一条粗黑的水平线穿过照片中央，那是铅板留下的阴影。这条线上方的细如发丝的粒子径迹比下面的粒子径迹曲率更高，证实了这个粒子确实是向上而不是向下运动的。这是十分罕见的现象，将来，科学史学家们会对此产生很多的争论。但是，令人心跳加速的并不是粒子是否向上运动，而是径迹旋转的方向不对劲。

密立根认为应将这条径迹当作偶然事件从有效数据中排除，安德森对此也心存疑虑。然而，从结果上看，这个只能被解释为轻粒子的径迹太像电子，但它携带的是正电荷，而不是负电荷。安德森犹豫了一会儿，然后，第一次写下了他为这种新粒子创造的单词——正电子。

安德森打算将论文提交给美国《科学》（Sce）杂志，标题是《易偏转的带正电荷粒子的存在》（TheAppareenceofEasilyDelectablePositives）。他在论文中写道：“我们似乎有必要审视一个与电子质量相当的带正电荷的粒子。”这种说法是有争议的。但是安德森能做什么呢？他是一个实验者，只能接受实验告诉他的事实。照片清晰地显示出存在一个带正电荷电子的证据。

要知道，在1932年，人们只知道物质的三种基本成分：电子、质子和中子，而中子是由剑桥大学的詹姆斯·查德威克（JamesChadwick）于同年2月才刚刚发现的。[32]这三种粒子构成了原子的基本组成部分。在原子中，电子围绕着由质子和中子组成的紧密球体运动，就像围绕着太阳运动的行星一样。这是物质最终结构的一幅简洁而吸引人的图景。人们最不希望看到的就是另一个粒子破坏了这种完美的结构，没人想要正电子，大自然没有它的容身之地。或许过去有过？

1927年11月下旬，剑桥

当保罗·狄拉克（PaulDirac）第一次写下描述电子的方程式时，连他自己都被它的美丽所震撼，并为之倾倒。[33]与此同时，一阵恐惧感袭来，狄拉克感觉自己就像一个在空中走钢丝绳的人，虽然完成了惊人的平衡动作，但是一阵微风就可能将他吹落。他的方程就像一个魔法，美丽是方程正确的神秘标志。但如果他被自己骗了呢？如果有个丑陋的真相正等着人们来扼杀它呢？[34]狄拉克忍不住深吸了一口气，以平复紧张的情绪。

狄拉克瘦高笨拙，让人想起竹节虫。人们觉得他是世界上最奇怪的人。周一到周六，狄拉克努力工作，在周日，他会穿着西装、打着领带，到剑桥郊外的乡间散步、爬树、整理思绪。狄拉克的感觉迟钝，简直比斯波克（Spock）还斯波克。当班上有个学生举手说：“狄拉克教授，我不明白黑板上的方程式。”狄拉克会回答说：“这是你的评价，不是问题。”然后望向教室的中间，等待问题。[35]狄拉克的一位朋友——俄罗斯物理学家彼得·卡皮扎（PeterKapitza）——试图让狄拉克对俄罗斯文学感兴趣，就送给他一本《罪与罚》（dPu）。狄拉克读完后，卡皮扎急切地想知道他的看法，可他唯一的评论是：“在其中一章，作者让太阳在同一天升起了两次。”