正電子的探究過程及其啟示①

彭寒龍 周靜忠

(1. 南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023；(2. 南京師范大學(xué)鹽城實驗學(xué)校，江蘇 鹽城 224000)

1 引言

1926年薛定諤和海森堡等建立了量子力學(xué)，展示了巨大的威力。如同力學(xué)需要過渡成為相對論性力學(xué)一樣，物理學(xué)家們認為量子力學(xué)也需要與相對論相兼容。

2 狄拉克與正電子的預(yù)言

在進一步研究這些負能態(tài)的波函數(shù)時，狄拉克發(fā)現(xiàn)：如果疊加一些波函數(shù)，會得到一個波包，這個波包將沿著經(jīng)典的軌跡運動。這樣的軌跡可以是一個普通電子(能量為正)在電磁場中運動的可能軌跡，也可以是一個帶正電的電子(能量為正)在電磁場中運動的可能軌跡。這一結(jié)果使人們懷疑具有負能量的電子與質(zhì)子之間存在聯(lián)系，然而，不能簡單地斷言一個負能量的電子是一個質(zhì)子，因為這將導(dǎo)致一些悖論，因此，狄拉克做出了一個大膽的假設(shè)：提出了自己對于真空的看法——電子海理論。

狄拉克認為：電子最穩(wěn)定的狀態(tài)(能量最低的狀態(tài))是那些具有負能量和極高速度的狀態(tài)，所有的電子都會因輻射而落入這些狀態(tài)。然而，泡利不相容原理將發(fā)揮作用，阻止超過一個的電子進入任何一個相同的狀態(tài)。而真空幾乎就是所有具有負能量的狀態(tài)都被占據(jù)了的空間，任何具有正能量的電子現(xiàn)在幾乎沒有機會跳到負能量狀態(tài)。假如無數(shù)的電子將真空的負能態(tài)全部占據(jù)，那么這些電子將會是不可觀測的，只有當某些負能態(tài)沒有被占據(jù)從而導(dǎo)致該空間產(chǎn)生精確均勻性的微小偏差時，這些電子才可能被觀測到。

關(guān)于帶正電的粒子，狄拉克做出猜想：處于無限深電子海中的某些電子如果吸收了足夠的能量后，就會被激發(fā)從而躍遷到正能態(tài)上去，這時，無限深電子海中就會出現(xiàn)一個空穴，該空穴帶正電e。同理，負能海中的空穴對于電子而言是一個陷阱，會吸引電子落入其中而放出能量。當時狄拉克認為空穴很可能就是質(zhì)子，但是他也發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和電子兩者之間存在著質(zhì)量上的巨大差異，提出了疑問：“我們目前的理論能說明電子和質(zhì)子之間強烈的不對稱嗎？”隨后，Oppenheimer和Weyl認為空穴不可能是質(zhì)子，Weyl首先指出空穴質(zhì)量應(yīng)該與電子質(zhì)量相等。1931年5月狄拉克在主要討論磁單極子的論文中提到：“我們似乎必須放棄空穴即為質(zhì)子這一假設(shè)，并為之找到某種解釋。遵循奧本海默的建議，那么如果空穴存在，它將具有與電子相同的質(zhì)量以及相反的電荷，我們可以稱這種粒子為反電子?！?/p>

3 安德森實驗以及正電子的發(fā)現(xiàn)

狄拉克雖然預(yù)言了反電子(正電子)的存在，可是他的預(yù)言并沒有得到物理學(xué)界的重視。在同一時期科學(xué)家們開始了對宇宙射線的本質(zhì)探究，提出了待研究的問題：宇宙射線是由微粒組成，還是γ射線？人們想到了用宇宙射線通過強磁場的方法，如果宇宙射線由帶電微粒組成，當通過強磁場時，將會改變運動方向，不同的粒子會有著不同的運動軌跡；如果宇宙射線是γ射線，則不會受到磁場影響。

1930年安德森和其導(dǎo)師R.A.密立根教授一起設(shè)計、制作了云室裝置，觀察宇宙射線在磁場中運動的偏轉(zhuǎn)曲率，以分析它們的能量。1931年安德森發(fā)現(xiàn)有多個帶正電粒子和帶負電粒子從一個點發(fā)散出來(圖1)，表明宇宙射線在物質(zhì)中的吸收主要來源于一種新的核現(xiàn)象。接著他測量了正負粒子的電離比，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)帶正電粒子和帶負電粒子都是帶單位電荷電量。帶負電的粒子就是電子，關(guān)鍵是帶正電的粒子，最初人們認為它就是質(zhì)子，因為這是當時唯一的帶單位正電量的粒子。然而安德森認為：假如帶正電粒子就是質(zhì)子，那么能量低的粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)引起的電離應(yīng)該要明顯大于電子，可是當時得出的結(jié)論卻是正負粒子的電離比只有微小差別。于是又提出了猜想：帶負電的粒子其實是向下射向地球，由于散射，導(dǎo)致它變成從地球向上射出，看起來就是帶正電的粒子，雖然這是偶然發(fā)生的，但是如果依舊認為帶正電粒子是質(zhì)子的話，就無法解釋正負粒子的電離比近似相等的現(xiàn)象。

如圖1所示，磁場垂直紙面向里，左邊軌跡可以解釋為電子從上向下運動。右邊對稱的軌跡可以解釋為帶正電的電子從上向下運動，也可以解釋為由于散射，電子變?yōu)閺南轮辽线\動。下一步工作就是需要去明確該

圖1

反常粒子的屬性，安德森在云室中間加了一塊鉛板，他認為粒子穿過鉛板必然會導(dǎo)致其能量降低，能量降低后粒子在磁場中運動的軌跡曲率就會變小，那么只要對比兩段軌跡的曲率，就可以判斷粒子的運動方向，1932年8月安德森從1300多張軌跡照片中發(fā)現(xiàn)了15張“與眾不同”的照片(圖2)。

圖2

由于粒子穿過鉛板后導(dǎo)致能量降低，從而偏轉(zhuǎn)的曲率半徑會變小，可以判斷出粒子的運動方向是從上向下。其次，由于磁場方向垂直紙面向里，根據(jù)粒子運動方向和軌跡偏轉(zhuǎn)方向，可以判斷該粒子帶正電。至此，還需要對粒子究竟是質(zhì)子還是其他粒子進行探究。安德森指出：穿過鉛板前該粒子能量是63MeV,穿過鉛板后能量變?yōu)?3MeV，根據(jù)粒子的行程和曲率，該帶正電的粒子不會是質(zhì)子，因為具有同種曲率的質(zhì)子通過鉛板后能量應(yīng)該是0.2MeV。不僅如此，如果該帶正電的粒子是質(zhì)子，那么它的行程只能有5mm，可是軌跡圖中有些粒子的行程會超過50mm，唯一合理的解釋就是該粒子是帶正電的電子。

接著，安德森又進一步測量低能正負粒子對的電離比，得出的結(jié)果是帶正電的粒子的質(zhì)量和電荷與帶負電的粒子的質(zhì)量和電荷之間的差別不會大于10%-20%，而當時已知的質(zhì)子的質(zhì)量是電子的1850倍。安德森在1932年9月發(fā)表文章，明確證實了正電子的存在。

4 正電子發(fā)現(xiàn)的啟示

回顧歷史，對于狄拉克方程的負能量解，狄拉克敢于承認負能量的存在，在現(xiàn)有理論無法作出合理的解釋時，他敢于打破固有的觀念，經(jīng)過嚴謹?shù)耐评恚岢雠c實驗事實自洽的空穴理論和正電子的預(yù)言，將理性思維的魅力展現(xiàn)得淋漓盡致。安德森不忽視眾人眼中的小概率事件，假設(shè)可能的情況，通過嚴密的邏輯推理和謹慎的實驗驗證,成為第一個揭開正電子神秘面紗的物理學(xué)家。