3月24日，歐洲核子研究中心（CERN）的科學家進行了一項測試，他們用一輛卡車載著92個反質子繞CERN園區兜了一圈。雖然車程只有10公里，卻是科學家歷史上第一次實現反物質的運輸，為未來更加深入地研究反物質的性質奠定了基礎。

在丹·布朗的作品《天使與魔鬼》中，1/4克反物質就是能炸掉梵蒂岡，是威力遠超核彈的武器。而在科學家眼中，反物質的意義更加重要。我們生活在一個由物質組成的世界里，而在宇宙誕生時產生的反物質卻不知所蹤?！罢次镔|不對稱”之謎堪稱物理學中的最大謎團之一，也隱藏著解開宇宙演化秘密的鑰匙。

我們此前曾推薦過英國物理學家弗蘭克·克洛斯的科普作品《中微子》，而在他的另一部代表作《反物質》中，他就為我們講述了近一個世紀以來科學家發現、研究反物質的故事。在下文中我們能夠看到，1923年，從天而降的宇宙射線拉開了物理學家研究反物質的序幕。

在我們頭頂上方幾千米處，來自外太空的高能量的亞原子粒子流和γ射線正高速沖入大氣層。它們與大氣層發生碰撞，產生大量的次級粒子，其中的大部分在到達地表之前就被空氣吸收了，因此在地面上只剩下無傷大雅的一點點輻射。

除了通常的電子、質子和原子核，這些“宇宙射線”還包括一些之前地球上沒見過的怪家伙。其中就包括我們沒見過的正電子，一種電子帶正電的反粒子。

簡而言之，這個故事始于1923年，當年人類首次得到了宇宙射線的成像；其中就有正電子的影像，只是當時并沒有人意識到這一點。之后的1928年，狄拉克預言了這種正電荷版本的電子的存在。又過了4年，人們才在宇宙射線中發現了正電子。人類的第一反應認為正電子是來自于外太空的，直到后來科學家們才發現，其實地球上也在時刻產生著——某些放射過程就會產生正電子。之所以一直沒有注意到它們，是因為我們所處的世界與正電子相悖，所以它產生以后迅速地就毀滅掉了。

▲狄拉克

在狄拉克提出其理論的5年前，人們就看到了正電子，只是尚未意識到這種發現。1923年，科學家斯科貝爾金（Dmitry Skobeltzyn）在列寧格勒研究γ射線；他使用了云室（可以顯示能導致電離的粒子徑跡的裝置，是最早的帶電粒子探測器）來觀察γ射線。

我們經常能在天空中看到一條長長的云帶，可以持續數分鐘；其實這是飛機飛過之后留下的蒸汽拖尾，所以這條云帶就是飛機飛過的痕跡。拖尾中包含有飛機尾氣凝結的小水滴，從而形成一條長長的薄云層。人們用相似的理論制作出了云室，并用它首次看到了粒子軌跡的影像。云室是一個玻璃盒子，其中充滿了低壓而潮濕的空氣；盒子中配有一個活塞，可以瞬間將空氣壓入盒子內部。當帶電粒子經過盒子內部，就會凝結其周圍空氣中的水蒸氣，從而形成微小的蒸汽拖尾，通過這個拖尾就能知道粒子的位置和運動軌跡。對于20世紀早期的原子物理學家而言，云室就像天文學家手中的望遠鏡，可以幫助他們看到普通視野以外的東西。

γ射線不會直接形成拖尾；就像赫伯特·喬治·威爾斯（H. G. Wells）的小說中，隱形人跳入云里之后，便消失得無影無蹤。所以斯科貝爾金就在思考怎么才能抓住γ射線。γ射線雖然不可見，但它會將云室內原子中的電子碰撞出來，這些電子就會產生拖尾；由此，斯科貝爾金覺得是有希望佐證并觀察到γ射線的。

通過實驗，他發現這個方法確實可行，但似乎有點過猶不及。γ射線的能量太高，除了會從氣體中打出電子之外，還從云室的室壁中打出很多電子，這樣就干擾了他的觀測。后來他想到了一個好點子，將云室放置在一個強力磁鐵的兩極之間，這樣就可以清除掉干擾電子。這種設計使得拖尾云變得稀薄，軌跡更加清晰，此時他發現了一個意想不到的結果：磁場似乎引導著一些“電子”偏轉到了“錯誤的軌道”上。

今天我們知道，他看到的是正電子——一種帶正電的“反”版本的電子，但是在1923年時還沒有這個理論。這種異常的拖尾現象很難理解，但也不失為他研究過程中的一個小樂趣。當然這個現象一直困擾著他。

他成功獲得γ射線成像的消息慢慢傳遍了科學界，5年后，斯科貝爾金決定在劍橋的一次國際會議上將這些成像公布于眾。在場的所有人都和他當年一樣感到十分驚訝，但都沒能給出一個合理的解釋。有趣的是，在同一年（1928年）的相同地點（劍橋），狄拉克不久之后就預言了正電子，而正電子的拖尾看起來就像電子運行在“錯誤的軌道上”。盡管如此，因為當時沒人會想到存在正電子，所以雖然人們都知道斯科貝爾金的實驗中一定存在某種新發現，但卻沒人發現這個大蛋糕。

磁場會影響帶電粒子的運動軌跡。粒子的質量越小、速度越慢，那么磁場造成的偏轉就越強；而從偏轉的方向可以判斷其所帶電荷的正負：如果負電荷向左偏轉，那么正電荷就會向右偏轉。但是，在斯科貝爾金的云室實驗中，他還看到了一些筆直的拖尾，這表示有些帶電粒子沿直線傳播。究其緣由，是因為有些電子運動速度極快，以至于磁場在影響區域內幾乎無法作用于它，實際上它的速度遠遠超過了當時已知的任何放射源或γ射線所能提供的電子的極限。實際上這些電子是被宇宙射線從原子中轟擊出來的。雖然當時斯科貝爾金沒有意識到這點，但他卻是第一個看到宇宙射線本身軌跡的人。現在幾乎可以確定，當時的那些拖尾中不僅包括電子，還包括正電子；但是因為正電子的偏轉并不明顯，所以他沒能仔細觀測也沒有再繼續深入研究，從而再一次錯過了發現正電子的機會。這個機會留給了美國人安德森（Carl Anderson），在狄拉克預言正電子存在的4年之后，1932年，安德森首次證實發現了正電子。

▲安德森和云室

美國物理學家羅伯特·米利肯（Robert Millikan）曾憑借其在電子電荷方面的測量成就獲得1923年的諾貝爾獎，他創造了名詞“宇宙射線”，并且對太空輻射的來源有著自己獨到的理解。他認為宇宙射線就是γ射線，并把它稱為“創世之時的分娩之痛”（雖然他這些說法的確含糊其詞），而斯科貝爾金云室實驗中的拖尾就是證據。要梳理清楚這些射線里到底包含什么，你首先需要將它們偏轉，從而分辨出它們的電荷和能量，而這就需要一種更加強大的磁鐵。如果有了足夠強的磁場，那么無論粒子的速度有多快都會被偏轉。1930年，米利肯建議他的學生安德森去制作一個足夠強力的磁鐵，以用于偏轉宇宙射線。

在附近空間實驗室的工程師的幫助下，安德森完成了這個任務。他的磁鐵提供的磁場磁力是斯科貝爾金當年使用的10倍，由此安德森成功地偏轉了粒子飛行軌跡。他驚奇地發現，宇宙射線中同時含有帶正負電荷的粒子，兩者數量相當。

因為米利肯認為宇宙射線是由γ射線組成的，而γ射線自身不會引起拖尾，因此他初步認為這些帶電粒子一定是γ射線從原子內部轟擊出來的。他的解釋認為其中負電荷部分是電子，而正電荷部分是質子。但這個解釋并不能與安德森得到的圖像完全吻合。電子很輕，所以留下的拖尾應該是稀薄而細小的；質子笨重，所以留下的拖尾應該非常致密。安德森得到的圖像中，所有的拖尾看起來都像電子，他因此認為那些留下“錯誤軌跡”的粒子并不是向下的帶正電粒子，而是反向運動的電子。米利肯對此并不同意，基于他對宇宙射線性質的偏見，他堅持認為即使拖尾非常細小，但它們肯定是由我們上空射下的質子造成的。

為了說服老師，安德森用一塊鉛板將云室攔腰切斷。如果某個粒子穿過鉛板，它會損失能量，從而使得其軌跡彎曲度比之前更高。通過此方法，就可以清楚地知道這些粒子是向下還是向上飛行的了，也能一勞永逸地確定其電荷：向下動為正電荷，向上動為負電荷。

這個小小的改進，最終得到了答案：安德森和米利肯都錯了！這些拖尾既不是來自于正電的質子，也不是因為電子反向運動，而是向下入射的“正的電子”。安德森對此倒是很滿意，雖然他依然無法說服老師米利肯，這個故事之后我們會看到。

具有諷刺意味的是，其實安德森真正第一次看到的正電子實際上是向上運動的。后來證實，當時宇宙射線轟擊到了鉛板以下的空氣原子，然后產生了零星的正電子向上運動，并最終穿過了鉛板。這使得安德森十分困惑，好在很快他就發現了首個漂亮的例子，其中一個明顯比質子輕得多的正電荷粒子向下運動并穿過鉛板。接著他又發現了多個這種例子，證明這些“正的電子”從上向下運動，由此他終于有足夠的證據對外公布這項結果了。《科學新聞快報》（Science News-Letter）的編輯在1931年12月刊出了這些粒子軌跡的一張圖片，并命名為“正電子”。從此以后，這個名字開始傳遍世界。

在1931年，普遍接受的觀點認為：物質是由原子構成，而原子內部只有電子和質子。這種觀點下，正電子是沒有立足之地的，那么它們從何而來，又歸于何處呢？安德森和米利肯住在美國西海岸，當時可沒有今天這么發達的通信設備，所以他們只能偶爾與狄拉克交流一次，大多數時間并不知道狄拉克的工作進展和新的突破。雖然安德森首次發現了正電子，但是劍橋大學卡文迪許實驗室的布萊克特（Patrick Blackett）和哈里利（Giuseppe Occhialini）最終確認了正電子的存在，并且解釋了正電子的來源。

（本文節選自《反物質》第4章“宇宙新發現”，標題和配圖為編者所加）

書名：《反物質》

?♂? 作者：[英]弗蘭克·克洛斯

翻譯：羊奕偉

內容簡介

黑洞、彎曲時空、奇異粒子、夸克……物理學的所有令人費解的發現中，反物質的存在無疑是最神奇的一個，也給科幻作家們提供了極佳的創作空間。本書以反物質炸彈為切入點，結合科學實驗、實例及現象，用通俗的語言介紹了人類對反物質逐步深入的研究歷程，讓讀者能清楚地了解反物質的存在、產生、湮滅、存儲、利用及影響等科學知識，是一部系統而通俗的反物質科普書。