反物質(zhì)淺談 (上)
- 盧昌海 -
本文是應(yīng)《科幻世界》雜志的約稿而寫的， 但因編輯認(rèn)為不夠淺顯而未發(fā)表。 比本文更為淺顯的一個 版本 后來應(yīng)約發(fā)表于《中學(xué)科技》雜志。
眾所周知， 科幻小說作為一種特殊形式的小說， 常從現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展中吸取新概念， 反物質(zhì)就是常被吸收的新概念之一。 20 世紀(jì) 40 年代， 美國科幻小說家威廉森 (Jack Williamson) 創(chuàng)作了一系列以反物質(zhì)為題材的小說， 稱為 C.T. 故事， 其中 “C.T.” 是他為反物質(zhì)所擬的名稱——“Contra-Terrene”——的縮寫。 威廉森的 C.T. 故事問世后不久， 另一位美國科幻小說家阿西莫夫 (Isaac Asimov) 也在自己膾炙人口的機(jī)器人故事中引進(jìn)了反物質(zhì)的概念， 他所設(shè)想的機(jī)器人大腦是所謂的 “正電子腦” (positronic brain)， 而正電子乃是電子的反粒子， 是反物質(zhì)的基本組元之一。 20 世紀(jì) 60 年代， 著名科幻電視連續(xù)劇《星際迷航》(Stat Trek) 開始播出， 在這部連續(xù)創(chuàng)作和播出約 40 年之久、 擁有不止一代忠實粉絲的電視連續(xù)劇中， 反物質(zhì)是星際飛船的重要燃料。 這一點如今已幾乎成為了所有以星際旅行為題材的科幻小說的共同特點。 反物質(zhì)概念在科幻小說中的頻頻出現(xiàn)， 使公眾對這一概念也產(chǎn)生了濃厚興趣。
那么， 反物質(zhì)這一概念是何時， 以何種方式被提出的？ 人們又是如何發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的？ 反物質(zhì)究竟是不是一種有效的星際飛船燃料？ 我們的宇宙中到底是物質(zhì)多呢還是反物質(zhì)多？ 這些或許是很多人不甚了解卻不無興趣的問題。 本文將對這些問題作一些介紹。
反物質(zhì)這一概念在學(xué)術(shù)界的出現(xiàn)最早可以追溯到 19 世紀(jì)末。 1898 年， 英國物理學(xué)家舒斯特 (Arthur Schuster) 在給《自然》(Nature) 雜志的一封信中提到， 既然電荷可以有負(fù)的， 金子說不定也可以有負(fù)的， 而且負(fù)金子說不定和我們熟悉的金子有著一樣的顏色。 這或許是有關(guān)反物質(zhì)的想法在科學(xué)文獻(xiàn)中的萌芽。 不過舒斯特有關(guān)反物質(zhì)的想法只是一種簡單而模糊的思辨， 沒有真正的理論依據(jù)， 因而也沒有引起任何重視。 反物質(zhì)概念在物理學(xué)上的真正淵源， 是從將近 30 年后的 1927 年開始的。 那一年， 量子力學(xué)奠基人之一的英國物理學(xué)家狄拉克 (Paul Dirac) 提出了一個描述電子運動的數(shù)學(xué)方程。
狄拉克所提出的這一方程——即所謂的狄拉克方程 (Dirac equation)——是一個既具有量子力學(xué)特征， 又滿足狹義相對論要求的方程， 在當(dāng)時是很令人耳目一新的結(jié)果[注一]。 更漂亮的是， 這一方程還出人意料地自動包含了一些此前為解釋實驗結(jié)果而不得不人為添加到量子力學(xué)中的東西， 一些在當(dāng)時看來絕非顯而易見的東西， 比如電子的自旋和磁矩。 作為一個方程式， 狄拉克方程的形式之簡潔， 內(nèi)涵之豐富， 預(yù)言之神奇， 似乎達(dá)到了物理學(xué)家們夢寐以求的境界。
但這一方程的 “野心” 似乎還不止于此， 它還包含了另外一個重要結(jié)果——可惜這回卻是一個令人苦惱的結(jié)果。
這個令人苦惱的結(jié)果是： 狄拉克方程所描述的電子的總能量既可以是正的， 也可以是負(fù)的。 這個結(jié)果之所以令人苦惱， 是因為人們在自然界中從未發(fā)現(xiàn)過總能量為負(fù)的電子， 因此狄拉克方程似乎允許存在一些自然界中不存在的東西。 僅僅這樣倒還罷了， 因為允許存在的東西可以碰巧不存在， 因此大不了假定自然界中所有電子的總能量碰巧都是正的。 但不幸的是， 按照量子力學(xué)， 一個理論只要允許總能量為負(fù)的狀態(tài)——即所謂的 “負(fù)能量狀態(tài)”， 那么哪怕假定自然界中所有的電子的總能量碰巧都是正的， 它們也會在很短的時間內(nèi)通過量子躍遷進(jìn)入到負(fù)能量狀態(tài)， 從而變成總能量為負(fù)的電子——也稱為 “負(fù)能量電子”。 這種躍遷的結(jié)果無疑是災(zāi)難性的， 與現(xiàn)實世界也大相徑庭[注二]。
這么看來， 狄拉克方程看似漂亮， 實際上卻似乎是錯的， 而且還錯得相當(dāng)離譜， 足可把整個世界都搭進(jìn)災(zāi)難里去。 但是， 狄拉克方程又分明包含了很多看起來正確得驚人的結(jié)果， 一個錯得如此離譜的方程又怎可能包含如此多正確得驚人的結(jié)果呢？ 莫非真的應(yīng)了那句俗語： 真理過頭一步就是謬誤？
為了解決這個令人苦惱的兩難問題， 狄拉克于 1930 年提出了一個大膽的假設(shè)， 那就是負(fù)能量電子的確是存在的， 不僅存在， 而且還很多， 多到足以把所有負(fù)能量狀態(tài)都占滿的地步。 有人也許會問： 既然有這么多負(fù)能量電子， 為什么人們在自然界中從未發(fā)現(xiàn)過呢？ 答案是： 由所有這些負(fù)能量電子組成的 “海” 就是我們平時所說的真空， 從而不存在直接的觀測效應(yīng)。 狄拉克之所以提出這樣古怪的假設(shè)， 是因為當(dāng)時人們已經(jīng)知道了一條重要的物理原理， 叫做泡利不相容原理 (Pauli exclusion principle)， 它表明任何兩個電子都不能有相同的狀態(tài)。 既然任何兩個電子都不能有相同的狀態(tài)， 那么一旦所有負(fù)能量狀態(tài)都被負(fù)能量電子所占滿， 正能量電子也就不可能再通過量子躍遷進(jìn)入到負(fù)能量狀態(tài)了。 這樣一來， 負(fù)能量狀態(tài)的存在也就不再成為問題了。
狄拉克的假設(shè)挽救了狄拉克方程， 卻帶來了一個新問題。 那就是他的假設(shè)雖然阻止了正能量電子進(jìn)入負(fù)能量狀態(tài)， 卻并不妨礙負(fù)能量電子因獲得外來的能量而變成正能量電子。 一旦出現(xiàn)這種情形， 除產(chǎn)生一個正能量電子外， 真空中還將出現(xiàn)一個因負(fù)能量電子空缺而形成的空穴， 這種空穴等價于一個具有正能量， 并且?guī)д姾傻牧Ｗ?(請讀者想一想這是為什么？)。 由此帶來的新問題就是： 這種帶正電的粒子究竟是什么粒子呢？ 狄拉克的數(shù)學(xué)直覺告訴他那應(yīng)該是一個質(zhì)量與電子質(zhì)量相同的粒子。 但當(dāng)時物理學(xué)家們所知道的唯一帶正電的基本粒子是質(zhì)子， 其質(zhì)量比電子質(zhì)量大了 1,800 多倍。 因此如果空穴所對應(yīng)的帶正電粒子的質(zhì)量與電子質(zhì)量相同， 它將是一種新粒子， 這是一個很大的麻煩。 今天的讀者也許難以理解這種視新粒子為麻煩的想法， 因為換作是在今天， 能夠預(yù)言新粒子不僅不是麻煩， 往往還會被認(rèn)為是令人興奮的結(jié)果 (除非有顯著的實驗證據(jù)或理論依據(jù)表明所預(yù)言的新粒子不可能存在)。 但提出新粒子這種后來一度成為家常便飯甚至蔚為時尚的做法， 對當(dāng)時的物理學(xué)家來說卻幾乎是一個思維禁區(qū)——一個連素以勇氣著稱的量子力學(xué)奠基者們也未敢輕易逾越的思維禁區(qū)。 在這一思維禁區(qū)面前， 具有極高數(shù)學(xué)天賦， 并且一向崇尚數(shù)學(xué)美的狄拉克犯下了一生為數(shù)不多的顯著錯誤之一， 他放棄了自己的數(shù)學(xué)直覺， 提出空穴對應(yīng)的粒子是質(zhì)子。
幸運的是， 思維禁區(qū)束縛得了思維， 卻束縛不了計算； 物理學(xué)家的思維禁區(qū)束縛得了物理學(xué)家， 卻束縛不了數(shù)學(xué)家。 狄拉克的觀點提出后， 與他同時代的德國物理學(xué)家海森伯 (Werner Heisenberg) 和奧地利物理學(xué)家泡利 (Wolfgang Pauli) 分別對空穴的質(zhì)量進(jìn)行了計算， 結(jié)果表明它應(yīng)該與電子質(zhì)量相同； 德國數(shù)學(xué)家外爾 (Hermann Weyl) 更是從理論的對稱性出發(fā)直接證明了這一點。 另一方面， 不管空穴是什么， 既然它是電子離開所留下的， 那么電子顯然也可以重新躍回空穴， 一旦出現(xiàn)這種情況， 電子與空穴就會一起消失 (變成能量)， 這種過程被稱為湮滅 (annilation)。 如果空穴是質(zhì)子， 那么這就意味著電子可以與質(zhì)子互相湮滅。 這結(jié)果看起來顯然很令人不安， 因為電子和質(zhì)子是組成物質(zhì)的基本粒子 (當(dāng)時中子尚未被發(fā)現(xiàn))， 如果它們可以相互湮滅， 那么物質(zhì)的穩(wěn)定性就成問題了。 當(dāng)然， 問題到底有多嚴(yán)重還得看湮滅的快慢程度， 或者說湮滅的幾率。 美國物理學(xué)家奧本海默 (Robert Oppenheimer) 和俄國物理學(xué)家塔姆 (Igor Tamm) 分別計算了這種幾率， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)它相當(dāng)大， 足以使物質(zhì)世界在很短的時間內(nèi)就崩潰離析。
在這些結(jié)果的連環(huán)打擊下， 空穴是質(zhì)子的假設(shè)遭到了滅頂之災(zāi)。 1931 年， 狄拉克糾正了自己的錯誤， 并提議將空穴所對應(yīng)的質(zhì)量與電子質(zhì)量相同， 電荷與電子電荷相反的實驗上尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子稱為反電子 (anti-electron)。 這一回， 他徹底突破了禁區(qū)， 不僅提出了反電子， 而且進(jìn)一步提出質(zhì)子及其它粒子——如果有的話——也應(yīng)該有相應(yīng)的反粒子。
如果所有的粒子都有反粒子， 那么就完全有可能存在由反粒子組成的物質(zhì)， 這種物質(zhì)就是人們所說的反物質(zhì)。 因此從某種意義上講， 這一年——即 1931 年——可以被視為是反物質(zhì)概念誕生的年代。
按照狄拉克對反粒子的描述， 反粒子是粒子脫離負(fù)能量狀態(tài)后留下的空穴， 因此反粒子與相應(yīng)的粒子可以湮滅。 這種湮滅有可能使粒子與反粒子同時轉(zhuǎn)化為能量 (比如光子)[注三]， 這是理論上所能達(dá)到的最高能量轉(zhuǎn)化效率。 這種轉(zhuǎn)化效率是如此之高， 以至于 1 克反物質(zhì)與 1 克物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的能量就足以超過二戰(zhàn)末期美軍投擲在日本廣島和長崎的兩顆原子彈所釋放能量的總和。 不難設(shè)想， 若有朝一日人類能廣泛利用反物質(zhì)作為能量來源， 無疑將會帶來巨大的技術(shù)飛躍。 這是反物質(zhì)成為很受科幻小說家們青睞的能量來源的根本原因。
不過需要指出的是， 狄拉克對反粒子的描述雖然很直觀， 并且粗看起來頗有道理， 在今天看來其實卻只有歷史價值， 或者用美國物理學(xué)家許溫格 (Julian Schwinger) 的話說， 是 “最好作為歷史的獵奇而被遺忘”。 為什么呢？ 因為如上文所介紹， 狄拉克的描述需要通過泡利不相容原理來阻止正能量粒子進(jìn)入負(fù)能量狀態(tài)。 對于電子和質(zhì)子這樣的粒子——被稱為費米子 (fermion)——來說， 這恰好是可以做到的。 但自然界中還存在另外一類粒子——被稱為玻色子 (boson)， 它們并不滿足泡利不相容原理。 對于那樣的粒子， 狄拉克有關(guān)反粒子的描述就無能為力了。 不僅如此， 按照狄拉克的描述， 正反粒子的產(chǎn)生必須是成對的， 因為一個新粒子的產(chǎn)生必定會留下相應(yīng)的空穴——即它的反粒子； 反過來說， 新空穴的出現(xiàn)也只能是由于相應(yīng)粒子的產(chǎn)生——即脫離負(fù)能量狀態(tài)。 但實驗卻表明這種粒子與相應(yīng)反粒子的 “雙宿雙飛” 并不普遍成立。 比方說在 β 衰變中， 電子的出現(xiàn)就并不伴隨有反電子。 因此狄拉克對反粒子的描述細(xì)究起來并不正確， 這一點不僅被多數(shù)科普讀物所忽視， 甚至在一些現(xiàn)代教科書中都沒有明確說明， 這是很有些不應(yīng)該的。 對反粒子的普遍描述， 是在量子場論出現(xiàn)之后才建立起來的。 不過狄拉克對反粒子的描述雖然并不正確， 其所包含的一些基本結(jié)論， 比如反粒子與相應(yīng)的粒子質(zhì)量相同， 所帶電荷及若干其它量子數(shù)相反， 正反粒子可以相互湮滅， 等等， 卻是普遍成立的， 并且它的提出對量子場論的產(chǎn)生起到過啟發(fā)作用， 從這些意義上講它對物理學(xué)的發(fā)展是功不可沒的。
與反粒子理論的曲折發(fā)展同樣生動坎坷的， 是實驗物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)反粒子的故事。 對于實驗物理學(xué)家們來說， 這個故事多少帶著點遺憾， 因為其實早在狄拉克提出反粒子概念之前， 反粒子就已經(jīng)在實驗室里留下了蹤跡， 卻被他們所忽略， 這才讓理論物理學(xué)家捷足先登。
在 20 世紀(jì) 30 年代， 物理學(xué)家們探測帶電粒子徑跡的主要工具是云室 (cloud chamber)。 云室不僅可以顯示帶電粒子的徑跡， 通過將其置于磁場中， 還可以進(jìn)一步判斷出粒子所帶電荷的正負(fù)——因為正電荷與負(fù)電荷在穿過磁場時會往不同方向偏轉(zhuǎn)。 早在狄拉克提出反粒子概念之前， 實驗物理學(xué)家們就在云室照片中發(fā)現(xiàn)過一些類似于電子， 卻與電子有著相反偏轉(zhuǎn)方向的徑跡。 這些徑跡其實正是反電子掠過云室留下的倩影。 可惜就象狄拉克起初不敢把空穴詮釋成反電子一樣， 實驗物理學(xué)家們也未曾想到把那些反常徑跡詮釋成新粒子， 從而錯失了先于理論而發(fā)現(xiàn)反電子的機(jī)會。
直到狄拉克提出空穴是反電子之后， 云室中那些反常徑跡才引起了一些實驗物理學(xué)家的重視。 比如英國卡文迪許實驗室 (Cavendish Laboratory) 的物理學(xué)家布萊克特 (Patrick Blackett) 就告訴狄拉克說， 自己與同事可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了反電子存在的證據(jù)。 但即便有狄拉克當(dāng)出頭鳥， 布萊克特仍未敢貿(mào)然發(fā)表自己的發(fā)現(xiàn)， 而是打算做進(jìn)一步的核實。 這一延緩將發(fā)現(xiàn)反電子的優(yōu)先權(quán)拱手讓給了大西洋彼岸的美國物理學(xué)家安德遜 (Carl David Anderson)。
安德遜當(dāng)時在美國西岸的加州理工大學(xué) (California Institute of Technology) 從事宇宙射線研究。 與其他一些實驗物理學(xué)家一樣， 他也在自己的云室照片中發(fā)現(xiàn)了類似于電子， 卻與電子有著相反偏轉(zhuǎn)方向的徑跡， 而且這樣的徑跡并不稀少， 這一點引起了安德遜的重視， 于是他把這一發(fā)現(xiàn)告訴了當(dāng)時正在歐洲進(jìn)行訪問的導(dǎo)師密立根 (Robert Andrews Millikan)。 密立根是一位實驗物理大師， 曾因測量電子電荷及光電效應(yīng)方面的工作獲得 1923 年的諾貝爾物理學(xué)獎。 對于安德遜所發(fā)現(xiàn)的徑跡， 密立根的解釋是視之為質(zhì)子產(chǎn)生的——質(zhì)子所帶電荷與電子相反， 因而可以解釋觀測到的偏轉(zhuǎn)方向與電子相反這一事實。 但密立根的質(zhì)子解釋有一個致命的弱點， 那就是象質(zhì)子這樣的重粒子在云室中的徑跡應(yīng)該遠(yuǎn)比象電子那樣的輕粒子來得顯著。 可是安德遜所發(fā)現(xiàn)的徑跡卻并未顯示出這種差異， 因此密立根的質(zhì)子解釋很快被排除了。
另一方面， 安德遜自己也提出了一種解釋， 他認(rèn)為偏轉(zhuǎn)方向與電子相反的徑跡有可能是由反方向運動的電子產(chǎn)生的， 這種解釋也曾被歐洲物理學(xué)家們采用過。 單純從徑跡的偏轉(zhuǎn)方向上講， 它的確是能夠說得通的。 但安德遜的反向電子解釋也有一個令人困惑的地方， 那就是他所研究的是宇宙射線， 而宇宙射線來自天空， 從而應(yīng)該是以大體相同的方向——即自上而下——穿越云室的。 既然如此， 反方向運動的電子又從何而來呢？ 解決這一疑問最直接的辦法無疑是對電子的運動方向進(jìn)行直接檢驗。 為此， 安德遜在自己的云室中間插入了一片薄薄的鉛板。 由于粒子穿過鉛板速度會變慢， 因此只要對粒子在鉛板上下的速度快慢進(jìn)行比較， 就可以判斷出粒子的運動方向[注四]。 通過這一手段， 安德遜發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)偏轉(zhuǎn)方向與電子相反的粒子和電子一樣來自天空， 也就是說它們的運動方向與電子是相同而不是相反的。 這就把安德遜自己的反向電子解釋也排除了。
這兩種解釋都被排除了， 留給安德遜的就只剩下一種解釋了， 那就是： 他所發(fā)現(xiàn)的徑跡來自一種帶正電的、 質(zhì)量卻遠(yuǎn)比質(zhì)子輕的粒子——一種尚不被實驗物理學(xué)家所知道的新粒子。 但這種解釋也有一個問題： 那就是這樣一個質(zhì)量不大的新粒子為什么以前一直未被發(fā)現(xiàn)呢？ 如果安德遜知道狄拉克的空穴理論， 他或許會想到那是因為這種粒子是反電子， 它很容易因為與電子相互湮滅而從人們眼皮底下消失。 可當(dāng)時安德遜并不知道狄拉克的空穴理論， 因此留給他的這唯一解釋似乎看起來也不太可能。 不過 “看起來不太可能” 和 “不可能” 終究是有差別的， 福爾摩斯有一句雖不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)芄苡玫拿裕?當(dāng)你排除了所有的不可能， 剩下的無論看起來多么不可能， 一定就是真相。 安德遜知道這時侯不應(yīng)該猶豫了， 于是他不顧密立根的反對， 于 1932 年 9 月公布了自己的發(fā)現(xiàn)。
4 年后， 這一發(fā)現(xiàn)為他贏得了諾貝爾物理學(xué)獎。
安德遜發(fā)現(xiàn)新粒子的消息一傳到歐洲， 布萊克特和他的同事立刻意識到自己犯下了遲疑不決的 “兵家大忌”， 他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)卻未敢貿(mào)然發(fā)表的顯然正是同樣的粒子。 于是他們立刻也發(fā)表了自己的結(jié)果。 他們的結(jié)果雖不幸在時間上落后于安德遜， 卻有幸在空間上占據(jù)了一個有利條件， 那就是他們離狄拉克很近。 安德遜雖然發(fā)現(xiàn)了新粒子， 卻不知道它和電子的關(guān)系， 而布萊克特和他的同事不僅知道新粒子和電子的關(guān)系， 還知道它和電子可以成對產(chǎn)生， 于是他們在自己的云室照片中有意識地尋找這種產(chǎn)生過程的證據(jù)， 并如愿以償?shù)爻蔀榱耸紫劝l(fā)現(xiàn)正反粒子對產(chǎn)生過程的物理學(xué)家[注五]。
在這些成果的發(fā)表過程中， 反電子獲得了一個新的、 后來更為流行的名稱： 正電子 (positron)。 這個名稱是一位雜志編輯向安德遜建議的， 它的本意是 “正子” (當(dāng)時安德遜并不知道這一粒子與電子有關(guān))。
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