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第3章 镜子啊墙上的镜子正电子（第3页）

狄拉克写出了非常好的方程，并且勇于承认其现实意义，动机无非是一种使量子理论和狭义相对论在数学上保持一致的强烈愿望。这个方程式预测的许多东西，后来都被物理学家们在实际实验中观察到了，包括量子自旋的存在。但出乎意料的是，狄拉克的方程式还预测出迄今为止构成世界的似乎一成不变的那些东西——物质的基本粒子——竟然可以被随意创造和摧毁。而且，如果这还不够令人震惊的话，为了让这样的创造和湮灭过程发生，一定存在着由反物质构成的镜像宇宙。

在科学史上，很少有一个方程能预测出这么多新奇的东西。“科学有一种迷人的魅力，”马克·吐温（MarkTwain）说，“根据零星的事实，增添一点猜想，竟能赢得那么多收获!”[44]科学上没有任何类似的东西能比狄拉克方程更正确了。

假设存在一种从未有人见过、也没有任何存在必要的亚原子粒子，至少是有争议的。但布丁的好坏，要吃了才知道。对于狄拉克来说，最大的问题是：反电子真的存在吗？

1932年秋，加利福尼亚州帕萨迪纳市

卡尔·安德森仅仅发现了一条能够表明带正电荷、具有电子质量的粒子径迹，这太让他担心了，显然证据不够充分。为此，安德森甚至考虑联系《科学》杂志撤回他的论文。但是太晚了，论文已开始付印了。

1932年9月1日，论文如期发表。其他物理学家的反应要么是漠不关心，要么是完全不信。埃德·麦克米伦（EdM）是安德森在加州理工学院读本科时的好朋友，他在安德森面前挥舞着一本《科学》杂志说：“这是在胡说八道些什么呀？”密立根已经确信宇宙射线实验出了问题，这才产生了如此不可思议的结果，所以他也不支持该论文。安德森的自信心因此遭受了打击，他怀疑自己是个彻头彻尾的傻瓜，也担心自己在年仅27岁的时候就在不经意间断送了自己的科学生涯。

也许，如果安德森能意识到他发现的是什么，情况就会有所不同。但安德森完全不知道，他所探测到的粒子早已被剑桥的保罗·狄拉克预测到了。奥本海默每年都要在加州理工学院待上几个月，最近安德森一直在听奥本海默的晚间讲座，并且他们详细探讨了狄拉克的空穴理论。但奇怪的是，安德森没能把狄拉克的空穴和他在古根海姆的云室中发现的特殊粒子联系起来。更不可思议的是，奥本海默居然也没注意到这一点。尽管奥本海默知道狄拉克关于带正电的电子的预测和安德森在实验中的发现，但令人费解的是，他并没有把这两者联系起来。

更糟糕的是，在6000英里（约9700千米）外的剑桥大学，似乎既没有人察觉到安德森的实验，也没有人知道兰格在《科学》杂志上发表的论文。卡文迪什实验室（dishLaboratory）的物理学家们只有自己做一下实验，才会明白发生了什么。

一年前，密立根在剑桥讲学，并展示了在加州理工学院拍摄的一些有趣的云室照片（就是安德森拍摄的）之后，帕特里克·布莱克特（PatrickBlackett）进入了宇宙射线研究领域。这之后，布莱克特说服了卡文迪什实验室的主任欧内斯特·卢瑟福（Erherford），让他进入宇宙射线研究领域。卢瑟福是那个时代伟大的实验物理学家和原子核的发现者。布莱克特与意大利物理学家盖斯佩·奥恰里尼（GuiseppeOi）合作，这对搭档偶然发现了一个聪明的办法——利用盖格-米勒管（Geiger-Mullertube）与云室一起观察来自宇宙射线的碎片。

盖格-米勒管，或称盖革计数器，是一根充气玻璃管。当辐射粒子穿过玻璃管时，会在气体中撞击出电子，这些电子被高压放大成可测量的电流。布莱克特和奥恰里尼将一个盖革计数器置于云室上方，另一个置于云室下方；只有在两个计数器都记录到电流的情况下，才触发云室，从而巧妙地确保每张照片都包含粒子的径迹。安德森的实验全凭运气，发现正电子的概率并不大，而在剑桥大学卡文迪什实验室进行的实验则有绝对的把握，他们拍摄到了大量的粒子径迹。

狄拉克也搞不清楚他到底是从哪里听说发现了反电子的，但很可能是从布莱克特那里听说的。布莱克特和奥恰里尼获得的显示正电子存在的宇宙射线簇照片非常轰动，甚至登上了报纸的头版。到1932年12月中旬，对正电子的存在已经毋庸置疑了。狄拉克证实了卡文迪什实验室获得的电子偶的径迹照片与他的理论是一致的。令他恐慌的日子一去不复返了，没有任何丑陋的真相（无论是实验的，还是理论的）会跳出来破坏他那美丽的方程式了。狄拉克在科学史上第一次预测到了一种新的基本粒子的存在，令人惊讶的是，狄拉克仅仅是依靠凭空杜撰的理论，几乎没有任何来自实验的诱导。

毫无疑问，布莱克特和奥恰里尼提供了正电子存在的最佳证据。事实上，布莱克特甚至比安德森更早就观察到了正电子效应，却没有对其给予重视。尽管布莱克特做出了关键性的贡献，但他总是谨慎地把正电子的发现归功于安德森。[45]

安德森将是连续三代荣获诺贝尔奖的实验物理学家派系的一员。不仅他的导师罗伯特·密立根获得过该奖项，他的学生唐纳德·格拉泽（DonaldGlaser）后来也因发明气泡室而在1950年获得该奖项。气泡室类似云室，可以显示亚原子粒子的径迹。

事后看来，电子偶的产生和反物质的存在都不足为奇。事实上，将量子理论和狭义相对论的描述结合起来描述电子或任何亚原子粒子是必要的。

物理学的基石之一是，能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。在由狭义相对论统治的世界里，质量本身就是能量的一种形式，这不可避免地对能量守恒定律造成了影响。光子的运动能量可以转化为产生物质的亚原子粒子的质量能量，即创造物质；亚原子粒子的质量能量可以转化为光子的运动能量，即消灭物质。

量子理论对电荷的创造和毁灭的过程施加了严格的限制：像能量一样，电荷也不能被创造或消灭。电荷守恒定律是指在物质的创生过程中，不带电荷的光子不能变成其他带电荷的单个亚原子粒子。但是，单个光子可以变成两个带有相反电荷的相同粒子，以使两个粒子的净电荷为零。类似地，在物质的毁灭过程中，单个带电粒子也无法变成光子，必须有两个带相反电荷的相同粒子才行。因此，可以得出这样的结论：在物质的产生过程中，光子必须同时产生粒子和反粒子（antiparticle）对；相应地，物质的毁灭也需由粒子和反粒子对相互湮灭，形成光子（实际上还有另一个限制，那就是动量守恒定律，该定律规定物质和反物质对的湮灭必然产生两个相同的、传播方向相反的光子）。

“想想二进制，”小说家约翰·厄普代克（JohnUpdike）说，“当物质与反物质对相遇时，两者都会消失，变成纯能量，但两者都存在过。我的意思是，有一种状态称为‘存在’。想象一下，+1和-1放在一起，或者说加起来变成了零，没了，消失了，什么都没有了，对吧？反过来，在+1和-1消失的地方，想象+1和-1曾经在一起，然后将二者分开，不做加法……现在有东西了，就在曾经一无所有的地方有了两个东西。”

正如厄普代克所强调的，狄拉克方程揭示了一个从绝对虚无中产生物质和反物质的未知世界。这个方程优雅而对称，如此优美的方程的确是狄拉克像变魔术那样凭空变出来的。今天，狄拉克方程受到了物理学家的普遍赞赏。美国物理学家、诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔泽克（FrankWilczek）说：“在物理学所有的方程中，或许最神奇的就是狄拉克方程。它是受实验影响最小、最自由的创造，却给出了最奇特、最令人吃惊的诸多结果。”[46]

之所以人们普遍赞赏狄拉克的方程，不仅是因为它的美，还因为狄拉克在创作它时所表现出的大无畏精神。“狄拉克取得了突破，找到了物理学研究的一种新方法。”另一位诺贝尔奖得主、物理学家理查德·菲利普斯·费曼（RichardPhillipsFeynman）说，“他先是勇敢地猜测出方程的形式，然后再尝试解释它的含义，这个方程我们现在称为狄拉克方程。”[47]费曼，一位公认的物理学预测大师，却未能建立狄拉克那样的方程。他说：“我认为，推导方程式可能是获得目前未知的物理学定律的最佳方法。”但费曼承认这不是他的强项，“我还很年轻的时候，试着猜测过这个方程，也见过很多学生都试过，但很容易陷入完全错误的、不可能成功的死胡同”。

正如狄拉克自己所说：“我喜欢方程，只是想寻找美丽的数学关系，也许根本没有任何物理意义。我认为，这是我的一个怪癖，只是有的数学关系有用处吧。”[48]狄拉克把他此次的数学预测描述成：“只是简单地寻找美丽的数学。后来才发现这项工作确实有用处，算是瞎猫碰上死耗子，运气好罢了。”[49]

在寻找“美丽的数学”时，狄拉克就像一位艺术家、诗人或小说家，让数学轻轻进入他的潜意识。他说：“只要有包容的秉性和谦逊，那么数学将会在你不知所措、只能等待时，一次又一次牵着你的手引导你。数学引导我走上了一条意想不到的道路，一条开辟新前景的道路，一条通向新领域的道路。在那里，可以建立行动基地，据此可以调查周围的环境，并筹划未来的发展。”[50]

狄拉克被数学如此完美地描述了自然这一事实深深地震撼了。他说：“这似乎是自然的基本特征之一，基本的物理定律可以用非常美丽和强大的数学理论加以描述，但需要相当高的数学水平才能理解。你可能会问：为什么大自然是按照这样的方式构建的呢？我只能回答，人类目前的知识表明，大自然好像就是这样构建的。我们只能这样接受。”狄拉克继续推测：“也许可以这样说，上帝是一位顶级数学家，使用高深莫测的数学知识创造了宇宙。”[51]

狄拉克从未完全放弃过空穴理论。事实上，至少在20世纪70年代之前，他一直坚信这个理论。尽管同行们早已完全放弃了这个理论，但这丝毫没有动摇他的信心。“这根本不是理论。”玻尔嘲讽道。事实是，尽管空穴理论对大多数人来说没有什么意义，但它得出了与现代电子理论相同的结果，因此实际上是伟大的洞见。用荷兰诺贝尔奖获得者杰拉德·特·胡夫特（Gerard'tHooft）的话来说，就是：“天才!”[52]

在反物质的现代图景中，弥漫、渗透到所有空间的场才是最基本的东西。我们最熟悉的场是电磁场，可以创造或毁灭场中不可分割的块或称量子，也就是众所周知的光的光子（如手电筒发出的光，或被黑猫吸收的光）。另一个场是电子场，像电磁场一样，电子场也可以创造和毁灭电子场中的量子——电子和正电子。

正电子并不像人们想象的那样罕见，它在自然界中经常从不稳定的原子核发射出。不仅中子过剩的原子核可以通过射出电子，把中子变成质子来达到稳定，而且质子过剩的原子核也可以通过发射正电子，把质子变成中子来达到同样的目的。射出的正电子在遇到电子并湮灭为高能光子之前走过的距离非常短，这就是1932年之前没有人发现正电子的原因。

然而，现在已证明，发射正电子的原子核在医学成像中是极其重要的。在使用正电子发射层析术（Positroomography，PET）时，需将一种含有能够发射正电子的原子核的材料注入人体。当正电子遇到电子时，会产生一对反向发射的光子。通过探测这对光子，可以回溯湮灭的位置，从而用计算机绘制人体的3D图像。

想寻找到反质子，必须等待具有足够能量的粒子加速器（Particleaccelerator）出现，它能产生比正电子重约2000倍的粒子。加州大学伯克利分校终于在1955年制造出高能质子同步稳相加速器（Bevatron），实现了寻找反质子的目标。一年后，反中子（aron）也被发现了。自然界所有基本亚原子粒子的反粒子都被找到了。

创造一个由正电子环绕反质子的反原子是一项艰巨的实验挑战，因为必须在二者形成的同时，有效减慢两个反粒子的速度，才能实现二者的结合。但在1995年，日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（）的物理学家使用了低能反质子环（theLyAntipr，LEAR）来减慢而不是加速反质子，从而成功地将正电子和反质子结合在了一起，创造了9个氢的反原子，尽管每个原子仅存活了40纳秒。

反物质有可能成为完美的火箭燃料，这是因为当反物质遇到物质时，其质量的100%都会转化成能量。因此，按照同等质量换算，反物质燃料能够提供的能量最高，可以达到同等质量核燃料的100倍。反物质火箭（a）需要携带的燃料最少。要知道，燃料质量对火箭来说可是个大问题，因为所有的燃料都要和火箭一起被推进。

尽管《星际迷航》中由反物质驱动企业号星舰实现了为期5年的航行任务，前往人类从未去过的地方冒险，但想要在现实中制造以反物质为燃料的宇宙飞船却面临着诸多无法克服的困难。首先，反物质的储存是个大问题，千万不能让反物质接触到火箭上的普通物质，否则将导致灾难性的爆炸。也许可以考虑把反物质装在磁瓶（magle）中。其次，物质-反物质湮灭的产物是高能光子，这些光子会向四面八方溅射，而不会向推动火箭前行的后方喷射。

反物质是否可以用来为星际飞船提供动力，仅仅是个小问题。更重要的问题是，为什么我们生活在物质世界中？要知道，所有已知的粒子生成过程，比如电子偶的产生，都会生成等量的物质和反物质。1933年12月12日，狄拉克在斯德哥尔摩举行的诺贝尔奖颁奖典礼上谈到了这一点：“如果接受正负电荷完全对称的观点，那么就自然的基本规律而言，就必须将地球（想必整个太阳系也是）看成一场意外，因为其中负电子和正质子拥有绝对的优势。很有可能，一些恒星是以另一种方式，也就是主要由正电子和负质子的组合构成。实际上，每种恒星可能各占一半。这两种恒星的光谱完全相同，并且无法通过现有的天文学方法来区分它们。”

正如狄拉克所指出的，反物质恒星会像正常物质构成的恒星那样辐射光子。但是狄拉克又说，如果宇宙中有反物质与物质混合的区域，那就很难区分了。这个说法是错误的，无论反物质在哪个区域遇到物质，都会有大量的湮灭。然而，天文学家并没有观测到在这个过程中发出的γ射线。

按理说，物质或反物质的宇宙都不应该存在，空间中应该仅仅充斥着二者湮灭的产物——光子。关于为什么我们处于物质宇宙这个问题，有一个线索，来自这样一个事实：宇宙中每个物质粒子大约伴有100亿个光子。就是说，在宇宙大爆炸中，每生成100亿加1个物质粒子，就伴生100亿个反物质粒子。在一场湮灭的狂欢之后，所有的反物质粒子都被毁灭了，每100亿个物质粒子中只剩下1个。然而，关键的问题是，这种物质与反物质的不对称是如何形成的？物理学的基本定律要么更倾向创造物质，要么更偏向破坏反物质。其中的具体方式和原因仍然是现代宇宙学中最大的谜团之一。

[1]亚瑟·康普顿（Arthurpton），美国物理学家。以他的名字命名的实验，验证了高能光在电子上的散射，从而证明了爱因斯坦1905年提出的光子说，使他获得了1927年的诺贝尔物理学奖。

[2]事实上，情况并非如此。虽然狭义相对论预测，相对于你，高速运动的人应该在运动方向上出现收缩，但这并不是你将会看到的，因为另一种效应会起作用。事实上，来自那个运动的人远端的光要比近端的光花更长的时间才能到达你的眼中，这会导致这个人看起来发生了扭曲。尽管他的脸对着你，但你还是会看到他的部分后脑勺。这种特殊的效应被称为相对论性像差（relativisticaberration）或相对论性聚束（relativistig）。

[4]事实上，为了将两者都包括在方程中，狄拉克被迫使用四行、四列的矩阵，后来这个矩阵被称为伽马矩阵。

[5]每个负能态只能容纳一个电子，这一事实很重要。如果每个负能态可以容纳任何数量的电子的话，负能态就不可能被填满，正常电子就会不断地落入，物质也就不会稳定。然而，量子理论允许存在两种不同类型的粒子：具有半整数自旋的粒子和具有整数自旋的粒子。自旋的最小可能取值或自旋量子数是某一数量的一半。具有半整数自旋的粒子被称为费米子，具有极强的排他性，每个量子态只能容纳一个；而后者被称为玻色子，是极其合群的，并且很高兴聚集在一起共享一个单一的状态。电子就是费米子。