反物質(zhì)武器真的存在嗎？從科幻到現(xiàn)實(shí)，反物質(zhì)如何被一步步認(rèn)知

3月24日，歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)試，他們用一輛卡車載著92個(gè)反質(zhì)子繞CERN園區(qū)兜了一圈。雖然車程只有10公里，卻是科學(xué)家歷史上第一次實(shí)現(xiàn)反物質(zhì)的運(yùn)輸，為未來(lái)更加深入地研究反物質(zhì)的性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

在丹·布朗的作品《天使與魔鬼》中，1/4克反物質(zhì)就是能炸掉梵蒂岡，是威力遠(yuǎn)超核彈的武器。而在科學(xué)家眼中，反物質(zhì)的意義更加重要。我們生活在一個(gè)由物質(zhì)組成的世界里，而在宇宙誕生時(shí)產(chǎn)生的反物質(zhì)卻不知所蹤。“正反物質(zhì)不對(duì)稱”之謎堪稱物理學(xué)中的最大謎團(tuán)之一，也隱藏著解開宇宙演化秘密的鑰匙。

我們此前曾推薦過(guò)英國(guó)物理學(xué)家弗蘭克·克洛斯的科普作品《中微子》，而在他的另一部代表作《反物質(zhì)》中，他就為我們講述了近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)、研究反物質(zhì)的故事。在下文中我們能夠看到，1923年，從天而降的宇宙射線拉開了物理學(xué)家研究反物質(zhì)的序幕。

在我們頭頂上方幾千米處，來(lái)自外太空的高能量的亞原子粒子流和γ射線正高速?zèng)_入大氣層。它們與大氣層發(fā)生碰撞，產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，其中的大部分在到達(dá)地表之前就被空氣吸收了，因此在地面上只剩下無(wú)傷大雅的一點(diǎn)點(diǎn)輻射。

除了通常的電子、質(zhì)子和原子核，這些“宇宙射線”還包括一些之前地球上沒見過(guò)的怪家伙。其中就包括我們沒見過(guò)的正電子，一種電子帶正電的反粒子。

簡(jiǎn)而言之，這個(gè)故事始于1923年，當(dāng)年人類首次得到了宇宙射線的成像；其中就有正電子的影像，只是當(dāng)時(shí)并沒有人意識(shí)到這一點(diǎn)。之后的1928年，狄拉克預(yù)言了這種正電荷版本的電子的存在。又過(guò)了4年，人們才在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子。人類的第一反應(yīng)認(rèn)為正電子是來(lái)自于外太空的，直到后來(lái)科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)，其實(shí)地球上也在時(shí)刻產(chǎn)生著——某些放射過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生正電子。之所以一直沒有注意到它們，是因?yàn)槲覀兯幍氖澜缗c正電子相悖，所以它產(chǎn)生以后迅速地就毀滅掉了。

▲狄拉克

在狄拉克提出其理論的5年前，人們就看到了正電子，只是尚未意識(shí)到這種發(fā)現(xiàn)。1923年，科學(xué)家斯科貝爾金（Dmitry Skobeltzyn）在列寧格勒研究γ射線；他使用了云室（可以顯示能導(dǎo)致電離的粒子徑跡的裝置，是最早的帶電粒子探測(cè)器）來(lái)觀察γ射線。

我們經(jīng)常能在天空中看到一條長(zhǎng)長(zhǎng)的云帶，可以持續(xù)數(shù)分鐘；其實(shí)這是飛機(jī)飛過(guò)之后留下的蒸汽拖尾，所以這條云帶就是飛機(jī)飛過(guò)的痕跡。拖尾中包含有飛機(jī)尾氣凝結(jié)的小水滴，從而形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的薄云層。人們用相似的理論制作出了云室，并用它首次看到了粒子軌跡的影像。云室是一個(gè)玻璃盒子，其中充滿了低壓而潮濕的空氣；盒子中配有一個(gè)活塞，可以瞬間將空氣壓入盒子內(nèi)部。當(dāng)帶電粒子經(jīng)過(guò)盒子內(nèi)部，就會(huì)凝結(jié)其周圍空氣中的水蒸氣，從而形成微小的蒸汽拖尾，通過(guò)這個(gè)拖尾就能知道粒子的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于20世紀(jì)早期的原子物理學(xué)家而言，云室就像天文學(xué)家手中的望遠(yuǎn)鏡，可以幫助他們看到普通視野以外的東西。

γ射線不會(huì)直接形成拖尾；就像赫伯特·喬治·威爾斯（H. G. Wells）的小說(shuō)中，隱形人跳入云里之后，便消失得無(wú)影無(wú)蹤。所以斯科貝爾金就在思考怎么才能抓住γ射線。γ射線雖然不可見，但它會(huì)將云室內(nèi)原子中的電子碰撞出來(lái)，這些電子就會(huì)產(chǎn)生拖尾；由此，斯科貝爾金覺得是有希望佐證并觀察到γ射線的。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法確實(shí)可行，但似乎有點(diǎn)過(guò)猶不及。γ射線的能量太高，除了會(huì)從氣體中打出電子之外，還從云室的室壁中打出很多電子，這樣就干擾了他的觀測(cè)。后來(lái)他想到了一個(gè)好點(diǎn)子，將云室放置在一個(gè)強(qiáng)力磁鐵的兩極之間，這樣就可以清除掉干擾電子。這種設(shè)計(jì)使得拖尾云變得稀薄，軌跡更加清晰，此時(shí)他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意想不到的結(jié)果：磁場(chǎng)似乎引導(dǎo)著一些“電子”偏轉(zhuǎn)到了“錯(cuò)誤的軌道”上。

今天我們知道，他看到的是正電子——一種帶正電的“反”版本的電子，但是在1923年時(shí)還沒有這個(gè)理論。這種異常的拖尾現(xiàn)象很難理解，但也不失為他研究過(guò)程中的一個(gè)小樂趣。當(dāng)然這個(gè)現(xiàn)象一直困擾著他。

他成功獲得γ射線成像的消息慢慢傳遍了科學(xué)界，5年后，斯科貝爾金決定在劍橋的一次國(guó)際會(huì)議上將這些成像公布于眾。在場(chǎng)的所有人都和他當(dāng)年一樣感到十分驚訝，但都沒能給出一個(gè)合理的解釋。有趣的是，在同一年（1928年）的相同地點(diǎn)（劍橋），狄拉克不久之后就預(yù)言了正電子，而正電子的拖尾看起來(lái)就像電子運(yùn)行在“錯(cuò)誤的軌道上”。盡管如此，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒人會(huì)想到存在正電子，所以雖然人們都知道斯科貝爾金的實(shí)驗(yàn)中一定存在某種新發(fā)現(xiàn)，但卻沒人發(fā)現(xiàn)這個(gè)大蛋糕。

磁場(chǎng)會(huì)影響帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。粒子的質(zhì)量越小、速度越慢，那么磁場(chǎng)造成的偏轉(zhuǎn)就越強(qiáng)；而從偏轉(zhuǎn)的方向可以判斷其所帶電荷的正負(fù)：如果負(fù)電荷向左偏轉(zhuǎn)，那么正電荷就會(huì)向右偏轉(zhuǎn)。但是，在斯科貝爾金的云室實(shí)驗(yàn)中，他還看到了一些筆直的拖尾，這表示有些帶電粒子沿直線傳播。究其緣由，是因?yàn)橛行╇娮舆\(yùn)動(dòng)速度極快，以至于磁場(chǎng)在影響區(qū)域內(nèi)幾乎無(wú)法作用于它，實(shí)際上它的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)時(shí)已知的任何放射源或γ射線所能提供的電子的極限。實(shí)際上這些電子是被宇宙射線從原子中轟擊出來(lái)的。雖然當(dāng)時(shí)斯科貝爾金沒有意識(shí)到這點(diǎn)，但他卻是第一個(gè)看到宇宙射線本身軌跡的人。現(xiàn)在幾乎可以確定，當(dāng)時(shí)的那些拖尾中不僅包括電子，還包括正電子；但是因?yàn)檎娮拥钠D(zhuǎn)并不明顯，所以他沒能仔細(xì)觀測(cè)也沒有再繼續(xù)深入研究，從而再一次錯(cuò)過(guò)了發(fā)現(xiàn)正電子的機(jī)會(huì)。這個(gè)機(jī)會(huì)留給了美國(guó)人安德森（Carl Anderson），在狄拉克預(yù)言正電子存在的4年之后，1932年，安德森首次證實(shí)發(fā)現(xiàn)了正電子。

▲安德森和云室

美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·米利肯（Robert Millikan）曾憑借其在電子電荷方面的測(cè)量成就獲得1923年的諾貝爾獎(jiǎng)，他創(chuàng)造了名詞“宇宙射線”，并且對(duì)太空輻射的來(lái)源有著自己獨(dú)到的理解。他認(rèn)為宇宙射線就是γ射線，并把它稱為“創(chuàng)世之時(shí)的分娩之痛”（雖然他這些說(shuō)法的確含糊其詞），而斯科貝爾金云室實(shí)驗(yàn)中的拖尾就是證據(jù)。要梳理清楚這些射線里到底包含什么，你首先需要將它們偏轉(zhuǎn)，從而分辨出它們的電荷和能量，而這就需要一種更加強(qiáng)大的磁鐵。如果有了足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，那么無(wú)論粒子的速度有多快都會(huì)被偏轉(zhuǎn)。1930年，米利肯建議他的學(xué)生安德森去制作一個(gè)足夠強(qiáng)力的磁鐵，以用于偏轉(zhuǎn)宇宙射線。

在附近空間實(shí)驗(yàn)室的工程師的幫助下，安德森完成了這個(gè)任務(wù)。他的磁鐵提供的磁場(chǎng)磁力是斯科貝爾金當(dāng)年使用的10倍，由此安德森成功地偏轉(zhuǎn)了粒子飛行軌跡。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，宇宙射線中同時(shí)含有帶正負(fù)電荷的粒子，兩者數(shù)量相當(dāng)。

因?yàn)槊桌险J(rèn)為宇宙射線是由γ射線組成的，而γ射線自身不會(huì)引起拖尾，因此他初步認(rèn)為這些帶電粒子一定是γ射線從原子內(nèi)部轟擊出來(lái)的。他的解釋認(rèn)為其中負(fù)電荷部分是電子，而正電荷部分是質(zhì)子。但這個(gè)解釋并不能與安德森得到的圖像完全吻合。電子很輕，所以留下的拖尾應(yīng)該是稀薄而細(xì)小的；質(zhì)子笨重，所以留下的拖尾應(yīng)該非常致密。安德森得到的圖像中，所有的拖尾看起來(lái)都像電子，他因此認(rèn)為那些留下“錯(cuò)誤軌跡”的粒子并不是向下的帶正電粒子，而是反向運(yùn)動(dòng)的電子。米利肯對(duì)此并不同意，基于他對(duì)宇宙射線性質(zhì)的偏見，他堅(jiān)持認(rèn)為即使拖尾非常細(xì)小，但它們肯定是由我們上空射下的質(zhì)子造成的。

為了說(shuō)服老師，安德森用一塊鉛板將云室攔腰切斷。如果某個(gè)粒子穿過(guò)鉛板，它會(huì)損失能量，從而使得其軌跡彎曲度比之前更高。通過(guò)此方法，就可以清楚地知道這些粒子是向下還是向上飛行的了，也能一勞永逸地確定其電荷：向下動(dòng)為正電荷，向上動(dòng)為負(fù)電荷。

這個(gè)小小的改進(jìn)，最終得到了答案：安德森和米利肯都錯(cuò)了！這些拖尾既不是來(lái)自于正電的質(zhì)子，也不是因?yàn)殡娮臃聪蜻\(yùn)動(dòng)，而是向下入射的“正的電子”。安德森對(duì)此倒是很滿意，雖然他依然無(wú)法說(shuō)服老師米利肯，這個(gè)故事之后我們會(huì)看到。

具有諷刺意味的是，其實(shí)安德森真正第一次看到的正電子實(shí)際上是向上運(yùn)動(dòng)的。后來(lái)證實(shí)，當(dāng)時(shí)宇宙射線轟擊到了鉛板以下的空氣原子，然后產(chǎn)生了零星的正電子向上運(yùn)動(dòng)，并最終穿過(guò)了鉛板。這使得安德森十分困惑，好在很快他就發(fā)現(xiàn)了首個(gè)漂亮的例子，其中一個(gè)明顯比質(zhì)子輕得多的正電荷粒子向下運(yùn)動(dòng)并穿過(guò)鉛板。接著他又發(fā)現(xiàn)了多個(gè)這種例子，證明這些“正的電子”從上向下運(yùn)動(dòng)，由此他終于有足夠的證據(jù)對(duì)外公布這項(xiàng)結(jié)果了。《科學(xué)新聞快報(bào)》（Science News-Letter）的編輯在1931年12月刊出了這些粒子軌跡的一張圖片，并命名為“正電子”。從此以后，這個(gè)名字開始傳遍世界。

在1931年，普遍接受的觀點(diǎn)認(rèn)為：物質(zhì)是由原子構(gòu)成，而原子內(nèi)部只有電子和質(zhì)子。這種觀點(diǎn)下，正電子是沒有立足之地的，那么它們從何而來(lái)，又歸于何處呢？安德森和米利肯住在美國(guó)西海岸，當(dāng)時(shí)可沒有今天這么發(fā)達(dá)的通信設(shè)備，所以他們只能偶爾與狄拉克交流一次，大多數(shù)時(shí)間并不知道狄拉克的工作進(jìn)展和新的突破。雖然安德森首次發(fā)現(xiàn)了正電子，但是劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的布萊克特（Patrick Blackett）和哈里利（Giuseppe Occhialini）最終確認(rèn)了正電子的存在，并且解釋了正電子的來(lái)源。

（本文節(jié)選自《反物質(zhì)》第4章“宇宙新發(fā)現(xiàn)”，標(biāo)題和配圖為編者所加）

書名：《反物質(zhì)》

?♂? 作者：[英]弗蘭克·克洛斯

翻譯：羊奕偉

內(nèi)容簡(jiǎn)介

黑洞、彎曲時(shí)空、奇異粒子、夸克……物理學(xué)的所有令人費(fèi)解的發(fā)現(xiàn)中，反物質(zhì)的存在無(wú)疑是最神奇的一個(gè)，也給科幻作家們提供了極佳的創(chuàng)作空間。本書以反物質(zhì)炸彈為切入點(diǎn)，結(jié)合科學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)例及現(xiàn)象，用通俗的語(yǔ)言介紹了人類對(duì)反物質(zhì)逐步深入的研究歷程，讓讀者能清楚地了解反物質(zhì)的存在、產(chǎn)生、湮滅、存儲(chǔ)、利用及影響等科學(xué)知識(shí)，是一部系統(tǒng)而通俗的反物質(zhì)科普書。