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(shí)驗(yàn)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(guò)渡成為相對(duì)論性力學(xué)一樣，物理學(xué)家們認(rèn)為量子力學(xué)也需要與相對(duì)論相兼容。

2 狄拉克與正電子的預(yù)言

在進(jìn)一步研究這些負(fù)能態(tài)的波函數(shù)時(shí)，狄拉克發(fā)現(xiàn)：如果疊加一些波函數(shù)，會(huì)得到一個(gè)波包，這個(gè)波包將沿著經(jīng)典的軌跡運(yùn)動(dòng)。這樣的軌跡可以是一個(gè)普通電子(能量為正)在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的可能軌跡，也可以是一個(gè)帶正電的電子(能量為正)在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的可能軌跡。這一結(jié)果使人們懷疑具有負(fù)能量的電子與質(zhì)子之間存在聯(lián)系，然而，不能簡(jiǎn)單地?cái)嘌砸粋€(gè)負(fù)能量的電子是一個(gè)質(zhì)子，因?yàn)檫@將導(dǎo)致一些悖論，因此，狄拉克做出了一個(gè)大膽的假設(shè)：提出了自己對(duì)于真空的看法——電子海理論。

狄拉克認(rèn)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(fù)能量和極高速度的狀態(tài)，所有的電子都會(huì)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(guò)一個(gè)的電子進(jìn)入任何一個(gè)相同的狀態(tài)。而真空幾乎就是所有具有負(fù)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(méi)有機(jī)會(huì)跳到負(fù)能量狀態(tài)。假如無(wú)數(shù)的電子將真空的負(fù)能態(tài)全部占據(jù)，那么這些電子將會(huì)是不可觀測(cè)的，只有當(dāng)某些負(fù)能態(tài)沒(méi)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(shí)，這些電子才可能被觀測(cè)到。

關(guān)于帶正電的粒子，狄拉克做出猜想：處于無(wú)限深電子海中的某些電子如果吸收了足夠的能量后，就會(huì)被激發(fā)從而躍遷到正能態(tài)上去，這時(shí)，無(wú)限深電子海中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴，該空穴帶正電e。同理，負(fù)能海中的空穴對(duì)于電子而言是一個(gè)陷阱，會(huì)吸引電子落入其中而放出能量。當(dāng)時(shí)狄拉克認(rèn)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(wèn)：“我們目前的理論能說(shuō)明電子和質(zhì)子之間強(qiáng)烈的不對(duì)稱嗎？”隨后，Oppenheimer和Weyl認(rèn)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。”

3 安德森實(shí)驗(yàn)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(méi)有得到物理學(xué)界的重視。在同一時(shí)期科學(xué)家們開(kāi)始了對(duì)宇宙射線的本質(zhì)探究，提出了待研究的問(wèn)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(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)的方法，如果宇宙射線由帶電微粒組成，當(dāng)通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，將會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，不同的粒子會(huì)有著不同的運(yùn)動(dòng)軌跡；如果宇宙射線是γ射線，則不會(huì)受到磁場(chǎng)影響。

1930年安德森和其導(dǎo)師R.A.密立根教授一起設(shè)計(jì)、制作了云室裝置，觀察宇宙射線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)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(gè)帶正電粒子和帶負(fù)電粒子從一個(gè)點(diǎn)發(fā)散出來(lái)(圖1)，表明宇宙射線在物質(zhì)中的吸收主要來(lái)源于一種新的核現(xiàn)象。接著他測(cè)量了正負(fù)粒子的電離比，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)帶正電粒子和帶負(fù)電粒子都是帶單位電荷電量。帶負(fù)電的粒子就是電子，關(guān)鍵是帶正電的粒子，最初人們認(rèn)為它就是質(zhì)子，因?yàn)檫@是當(dāng)時(shí)唯一的帶單位正電量的粒子。然而安德森認(rèn)為：假如帶正電粒子就是質(zhì)子，那么能量低的粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)引起的電離應(yīng)該要明顯大于電子，可是當(dāng)時(shí)得出的結(jié)論卻是正負(fù)粒子的電離比只有微小差別。于是又提出了猜想：帶負(fù)電的粒子其實(shí)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(lái)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(rèn)為帶正電粒子是質(zhì)子的話，就無(wú)法解釋正負(fù)粒子的電離比近似相等的現(xiàn)象。

如圖1所示，磁場(chǎng)垂直紙面向里，左邊軌跡可以解釋為電子從上向下運(yùn)動(dòng)。右邊對(duì)稱的軌跡可以解釋為帶正電的電子從上向下運(yùn)動(dòng)，也可以解釋為由于散射，電子變?yōu)閺南轮辽线\(yùn)動(dòng)。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(rèn)為粒子穿過(guò)鉛板必然會(huì)導(dǎo)致其能量降低，能量降低后粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡曲率就會(huì)變小，那么只要對(duì)比兩段軌跡的曲率，就可以判斷粒子的運(yùn)動(dòng)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(guò)鉛板后導(dǎo)致能量降低，從而偏轉(zhuǎn)的曲率半徑會(huì)變小，可以判斷出粒子的運(yùn)動(dòng)方向是從上向下。其次，由于磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，根據(jù)粒子運(yùn)動(dòng)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(duì)粒子究竟是質(zhì)子還是其他粒子進(jìn)行探究。安德森指出：穿過(guò)鉛板前該粒子能量是63MeV,穿過(guò)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(huì)是質(zhì)子，因?yàn)榫哂型N曲率的質(zhì)子通過(guò)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(huì)超過(guò)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(jìn)一步測(cè)量低能正負(fù)粒子對(duì)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(fù)電的粒子的質(zhì)量和電荷之間的差別不會(huì)大于10%-20%，而當(dāng)時(shí)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(shí)了正電子的存在。

4 正電子發(fā)現(xiàn)的啟示

回顧歷史，對(duì)于狄拉克方程的負(fù)能量解，狄拉克敢于承認(rèn)負(fù)能量的存在，在現(xiàn)有理論無(wú)法作出合理的解釋時(shí)，他敢于打破固有的觀念，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评恚岢雠c實(shí)驗(yàn)事實(shí)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(guò)嚴(yán)密的邏輯推理和謹(jǐn)慎的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,成為第一個(gè)揭開(kāi)正電子神秘面紗的物理學(xué)家。