70年前，人類找到了反質(zhì)子

圖源：維基百科

導(dǎo)讀：

70年前，1955年9月21日，一種新粒子——反質(zhì)子——被確認(rèn)發(fā)現(xiàn)。這種粒子不是實(shí)驗(yàn)家碰巧發(fā)現(xiàn)的，而是在數(shù)學(xué)方程的指引下找到的。

寫下這一方程的，是英國(guó)理論物理學(xué)家狄拉克。

瞿立建 | 撰文

SAIXIANSHENG

預(yù)言反粒子

1927年，保羅·狄拉克25歲，博士畢業(yè)僅一年，即獲得劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院的教職。在那里，他有著非常舒適的工作環(huán)境，有住房，有仆人，每天專心于研究工作，偶爾上下課或做個(gè)報(bào)告。

狄拉克現(xiàn)在只專注于一項(xiàng)挑戰(zhàn)：尋找描述電子的相對(duì)論方程。

1924年，物理學(xué)家為解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了電子自旋概念，即電子像陀螺一樣轉(zhuǎn)。但電子是點(diǎn)粒子，這一經(jīng)典圖像不可能成立。需要新理論理解自旋。

這一新理論應(yīng)將量子理論與愛因斯坦的狹義相對(duì)論結(jié)合起來。狄拉克決定構(gòu)建出相對(duì)論量子力學(xué)方程。

狄拉克列出相對(duì)論量子力學(xué)方程應(yīng)具備的性質(zhì)，然后嘗試一個(gè)又一個(gè)方程，在年底取得了突破，得到了他想要的方程——從他的方程可以自然而然得到電子的自旋。

倫敦威斯敏斯特大教堂以狄拉克方程紀(jì)念物理學(xué)家保羅·狄拉克。圖源：wikicommons

論文于1928年2月1日發(fā)表，立即引起轟動(dòng)。美國(guó)物理學(xué)家約翰·斯萊特(John C. Slater)贊道：很難想象，除了狄拉克，還有誰會(huì)想出這個(gè)方程。它顯示了直覺天賦的獨(dú)特力量，這種天賦，除狄拉克外無人能及。”

不過，很多物理學(xué)家對(duì)狄拉克方程心存疑慮。

狄拉克從他的方程中解出4種電子，其中一對(duì)電子具有正的能量和自旋，另一對(duì)電子具有負(fù)的能量和自旋。負(fù)能量電子很難令人接受，因?yàn)樵又姓芰康碾娮訒?huì)躍遷至負(fù)能量狀態(tài)，原子將毀滅，世界將不復(fù)存在。

泡利諷刺說：理論提出者應(yīng)將理論應(yīng)用于自身，狄拉克應(yīng)該和他的理論一起湮滅。

一些物理學(xué)家的反對(duì)并沒有給狄拉克帶來太大困擾，狄拉克說：方程的美感比符合實(shí)驗(yàn)更重要。隨著時(shí)間的流逝，一切都會(huì)變得合理。

狄拉克就對(duì)原子依然穩(wěn)定給出了一個(gè)“合理”的解釋：負(fù)能量電子在真空中，并將所有負(fù)能態(tài)填滿，真空可以看成負(fù)能態(tài)電子形成的大海（現(xiàn)在成為狄拉克海，Dirac sea），而正能量的電子則在這個(gè)海面上運(yùn)動(dòng)。由于所有負(fù)能態(tài)都已經(jīng)被電子占據(jù)了，因此不會(huì)有電子從正能態(tài)躍遷到負(fù)能態(tài)，否則會(huì)違反泡利不相容原理。

狄拉克的解釋帶來了新的問題：正能態(tài)沒有被電子填滿，狄拉克海中電子可以躍遷至正能態(tài)，一個(gè)電子如果發(fā)生了這種躍遷，它會(huì)在狄拉克海留下一個(gè)“空穴”，這個(gè)空穴會(huì)有怎樣的性質(zhì)呢？

理論上，這個(gè)空穴應(yīng)該與電子的性質(zhì)正好相反，是個(gè)帶有正電荷和正能量的粒子。但有這樣的粒子嗎？

狄拉克海示意圖。電子將負(fù)能態(tài)填滿，形成狄拉克海，圖中藍(lán)色部分。電子躍遷到正能態(tài)，留下的空穴為電子的反粒子。圖源：wikicommons

狄拉克說這個(gè)粒子就是質(zhì)子。物理學(xué)家很快推證出，這是不可能的，空穴粒子必須與“普通”的電子完全相同，除了電荷相反之外。

這種帶正電的電子存在嗎？

存在。這種電子被美國(guó)人卡爾·安德森（Carl David Anderson）在研究宇宙線時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了。這種粒子后來命名為正電子。后來，他用伽馬射線照射其他物質(zhì)，產(chǎn)生了正電子-電子對(duì)，從而獲得了正電子存在的更確鑿的證據(jù)。安德森因發(fā)現(xiàn)正電子獲得了1936年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，時(shí)年31歲，成為史上第二年輕的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。

狄拉克的理論也適用于其他費(fèi)米子，比如質(zhì)子，質(zhì)子也應(yīng)該有一個(gè)對(duì)應(yīng)的帶負(fù)電的質(zhì)子，可稱為反質(zhì)子。

受安德森發(fā)現(xiàn)正電子實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，物理學(xué)家們紛紛在宇宙線中尋找反質(zhì)子，結(jié)果沒有了安德森的好運(yùn)氣，沒有找到。

既然找不到天然的，美國(guó)物理學(xué)家決定制造一個(gè)。為了制造反質(zhì)子，美國(guó)興建了一座新的加速器——Bevatron，中文名：高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器。

SAIXIANSHENG

發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子

Bevatron于1954年竣工，次年達(dá)到其能量指標(biāo)。制造反質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)于1955年8月開始。

一束質(zhì)子加速到62億電子伏的能量，與銅靶碰撞，產(chǎn)生大量粒子，向四面八方飛出，其中有質(zhì)子、中子、介子，數(shù)量最多的粒子是介子，數(shù)量是反質(zhì)子（如果有的話）的4萬倍。物理學(xué)家需要在10微秒內(nèi)找出其中可能存在的反質(zhì)子，否則反質(zhì)子會(huì)遇到質(zhì)子而湮滅。

將產(chǎn)物導(dǎo)入磁場(chǎng)中，根據(jù)粒子偏轉(zhuǎn)方向，可將帶正負(fù)電荷的粒子分開。然后將帶負(fù)電的粒子通過一磁透鏡系統(tǒng)聚焦，篩選出動(dòng)量與反質(zhì)子預(yù)期動(dòng)量相符的粒子。

這束粒子由帶負(fù)電的π介子和可能存在的反質(zhì)子組成，將與兩個(gè)相距12米的塑料盤相撞，相撞時(shí)會(huì)發(fā)出閃光，根據(jù)閃光的時(shí)間間隔可區(qū)分出π介子和反質(zhì)子，因?yàn)榍罢弑群笳呖?1納秒。

該實(shí)驗(yàn)不能排除一種情況：一個(gè)π介子在第一個(gè)塑料盤處閃光后，它前面的一個(gè)π介子在第二個(gè)塑料盤處閃光，時(shí)間間隔正好與反質(zhì)子的預(yù)期間隔相同。

為排除這種情況，物理學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

物理學(xué)家將粒子束穿過電介質(zhì)，它們的速度超過介質(zhì)中的光速，會(huì)產(chǎn)生切連科夫輻射（Cherenkov radiation），切連科夫輻射的波前是以粒子為頂點(diǎn)的錐面，類似快船激起的錐形尾波。粒子速度越快，錐頂角越小。

物理學(xué)家將粒子束先通過氟碳化合物液體，只有比預(yù)期的反質(zhì)子運(yùn)動(dòng)地更快的粒子激發(fā)切連科夫輻射，然后將將粒子束通過石英，這次只記錄以反質(zhì)子的預(yù)期速度前進(jìn)的粒子的切連科夫輻射。

以上分析于1955年9月21日完成，初步確認(rèn)反質(zhì)子的存在。

幾天后，物理學(xué)家拍下了反質(zhì)子遇到照相乳劑中的質(zhì)子或中子而湮滅的狀況，確認(rèn)了反質(zhì)子的存在。

反質(zhì)子湮滅。反質(zhì)子湮滅。一個(gè)反質(zhì)子（藍(lán)色）與一個(gè)質(zhì)子碰撞而湮滅，釋放的能量產(chǎn)生了四個(gè)正π介子（紅色）和四個(gè)負(fù)π介子（綠色）。最右邊的黃色條紋是一個(gè)μ介子，它是相鄰π介子的衰變產(chǎn)物。（深藍(lán)色的卷曲部分是從原子中撞出的低能電子，與反質(zhì)子沒有相互作用。）圖源：伯克利實(shí)驗(yàn)室

反質(zhì)子實(shí)驗(yàn)幾位科學(xué)家，從左至右依次為埃米利奧·塞格雷（Emilio Gino Segrè，1905年1月30日—1989年4月22日）、克萊德·維甘德（Clyde Wiegand ，1915年5月23日—1996年7月5日)、愛德華·約瑟夫·洛夫格倫（Edward Joseph Lofgren ，1914年1月18日—2016年9月6日) 、歐文·張伯倫（Owen Chamberlain，1920年7月10日—2006年2月28日），托馬斯·約翰·伊普西蘭蒂斯（Thomas John Ypsilantis，1928年6月24日—2000年8月16日) 。圖源：伯克利實(shí)驗(yàn)室

1955年10月18日，加州大學(xué)伯克利分校舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣告了這一重大發(fā)現(xiàn)，引起巨大轟動(dòng)。有媒體稱，物理學(xué)家做出可怕的新粒子，人接觸到這種粒子就會(huì)爆炸，顯然這位記者誤解了粒子湮滅的本質(zhì)。高能物理實(shí)驗(yàn)至今已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)萬億個(gè)反質(zhì)子，未發(fā)生過造成人員死亡的事件。

11月1日，發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子的論文發(fā)表在物理評(píng)論上（Phys. Rev., 1955, 100, 947）。

SAIXIANSHENG

后續(xù)影響

正電子發(fā)現(xiàn)之后，一些物理學(xué)家曾下注賭反質(zhì)子是否存在。現(xiàn)在到了這些物理學(xué)家兌現(xiàn)賭約的時(shí)候了。比如理論粒子物理學(xué)家Maurice Goldhaber賠了500美元（購買力相當(dāng)于現(xiàn)在的6000美元）。

反質(zhì)子實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者埃米利奧·塞格雷和歐文·張伯倫獲得1959年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)直接激勵(lì)了高能物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，促使實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)家建造更大的加速器，發(fā)展更精確的粒子飛行時(shí)間探測(cè)器，研制反質(zhì)子儲(chǔ)存和減速裝置，并對(duì)反質(zhì)子做更精確的測(cè)量，并探索反質(zhì)子的應(yīng)用，比如治療癌癥、成像、深空航天器推進(jìn)等（Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, 1989, 40–41, 1322; Hyperfine Interactions, 1997, 109, 155; Frontiers in Physics, 2014, 1, 37; Hyperfine Interactions, 2003, 146, 319）。

反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)，以及之前正電子的發(fā)現(xiàn)，向物理學(xué)家強(qiáng)烈暗示，其他粒子的反粒子乃至反物質(zhì)不再是異類的存在，這激勵(lì)物理學(xué)家找到它們。

反質(zhì)子的存在還強(qiáng)化了物理學(xué)家秉持的一個(gè)深刻觀點(diǎn)：自然界遵循某些對(duì)稱性。這進(jìn)一步凸顯了對(duì)稱性在現(xiàn)代物理學(xué)中作為指南針的作用。

另外，這一發(fā)現(xiàn)還引發(fā)了新的宇宙學(xué)問題。如果反物質(zhì)是可以存在的，那么為何可觀測(cè)的宇宙中絕大多數(shù)是由物質(zhì)構(gòu)成的呢？宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的數(shù)量的不對(duì)稱性是怎么來的？這一難題至今仍困擾著宇宙學(xué)和高能物理學(xué)。如果物質(zhì)與反物質(zhì)精確相等，精確湮滅，也就不會(huì)有我們思考這二者為何有差異。

在實(shí)驗(yàn)室之外，反質(zhì)子還激發(fā)了文藝工作者的靈感。反物質(zhì)湮滅成為了未來能源和科幻引擎的靈感源泉，從通俗雜志到電影《星際迷航》都有涉及。

不過，文藝工作者還遠(yuǎn)沒有充分挖掘出反質(zhì)子的科學(xué)震撼。比如，從反粒子、反物質(zhì)是不是可以推廣開去，太陽系、銀河系乃至整個(gè)宇宙是不是都有一個(gè)相反的鏡像，一旦相遇，化為一場(chǎng)災(zāi)難性煙花。

最后奉送一條安全小貼士：“慎照鏡子”。

參考文獻(xiàn)：（上下滑動(dòng)可瀏覽）

[1] Scientific American, 1956, 194, 37

[2] https://cern-courier.web.cern.ch/a/fifty-years-of-antiprotons

[3] https://www2.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2005/October/01-antiproton.html

[4] https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=32852

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Antiproton

本文轉(zhuǎn)載自《賽先生》微信公眾號(hào)

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