什么是正的电子

时间:2023-11-25 04:09:02

在当时看来,狄拉克对反电子的预言有点像科幻小说。在当时,人类知道的粒子只有电子和质子,人们认为物质就是由这两种粒子构成的。而且他们坚信,这两种粒子是不可撼动的,虽然狄拉克的理论认为这两种物质的基本粒子也可以被创造或者毁灭。当时的人们似乎不需要其他的粒子,所以他们对此也没有兴趣,当然除了中子;人们普遍接受中子的存在,它填装在原子核中使其保持稳定,只是因为当时技术所限还未发现中子。直到多年之后,在宇宙射线和粒子加速器基础上大量的新发现,才使得人们知道还有各种奇怪的粒子,它们的名字也一个比一个科幻。但在1928年时,人们对粒子的认识还很简单:由带负电的电子和带正电的质子构成了物质。在这种相对淳朴的世界观中,反电子是没有容身之处的。

在狄拉克发表了他的言论之后的数月间,每次他做完报告,都有人提问“反电子在哪里呢?”这种问题总是引起一片笑声,而狄拉克很快就厌烦了。在当时,几乎没有人严肃地思考过他的理论,也没人能够跟上他的思维,这使得这种“讨巧”的问题尤其让他烦恼。最后狄拉克不得不试图阻止他们,他说:因为质子带正电,那么带正电的反电子可能实际上就是质子。

这个说法使得外界觉得:狄拉克实际上认为其方程中出现的带正电粒子可能就是质子,就像从魔术师帽子中跑出来的兔子一样。现代物理学家已经认识到了物质和反物质的深奥的对称,在他们看来,当时这些人的认知是多么荒谬——质子和电子的质量相差约2000倍,所以质子怎么可能是反电子。

这在今天看来是理所当然的,但在1928年人们还没有理解到物质和反物质的深度对称,所以历史学家一直在争论:质量上的差别在当时是不是像现在一样显得荒谬?彼得·卡皮查(Peter Kapitsa)是与狄拉克同时期的俄罗斯科学家,他声称:虽然平时狄拉克没什么幽默细胞,但他的这一解释却是在搞笑。狄拉克只是想让这些持续不断的质问声音消停,给他空间去解释他的深奥观点,而将质量问题当作一个“细节”留待之后再解决。

狄拉克方程为反物质指明了方向,但真正纵观了全局的却是奥本海默。是的,他就是后来著名的曼哈顿原子弹计划的领导者——奥本海默(Robert Oppenheimer)。奥本海默指出,这种正粒子不可能是质子,因为如果是质子,那么氢原子就会自行毁灭掉。真空中可以出现电子与其正的反粒子,那么这个过程也可以反向:我们倒着看,将会看到这对粒子相互湮灭,消失成一束γ射线。所以如果这种正粒子被证明是质子,那么只要氢原子内部的质子和电子相遇,氢原子就会毁灭——不仅是氢原子,所有的物质都会消失成一束灿烂的焰火。

奥本海默的这种批判观点很有说服力,狄拉克也很快意识到这一点。他知道他的正的电子确实是一种全新的东西。1931年9月,狄拉克公布了他的结论,即这种空洞是“一种新粒子,实验物理的未知地,与电子电荷相等且质量相同。我们可以称之为反电子”。 它的性质非常戏剧化,会与传统的负电荷电子发生完全的湮灭,而且也可能反向地从单纯的能量中被同时创造出来。

相对而言,大质量的质子是另一个顽固的家伙,而狄拉克方程表明它也有一个“反”配对。在1931年的文章中,他也说明了这个问题,他在其理论中写道“在正负电荷之间存在一种完美的对称”。在轻描淡写的提示之后,他继续写道“如果这种对称是自然界的基本性质,那么任何粒子的电荷都一定可以反转”。因此他预言存在反质子,与质子质量相同电荷相反。狄拉克预言每种粒子都存在一种反粒子的配对——这个理论在当今已被视为一个基本真理,是人类对广阔宇宙图画中深奥对称的一瞥。

狄拉克的充满同种电子的无底海洋理论也解释了一个问题:为何“真空中”创造出的所有电子和正电子都具有相同的性质,而没有出现各种随机的连续可能性。狄拉克认为这个海洋中也充满了质子,而今天我们认识到它们中更底层的源种“夸克”(我们在第5章中会讲到)也符合这种不相容原理,并充满着一个无限深邃之海洋。正是狄拉克海洋中无限深邃的宝库,提供给了我们用以物质化的粒子和反粒子。

到此,就介绍这么多反物质的理论;下面,我们来看看反物质的实体,讲讲正电子的故事。