物理世界奇遇记14
空隙中的空隙
女士们先生们，
今晚我们将讨论一个特别吸引人的话题——反物质。
反物质的第一个例子是我在前面的演讲中提到的正电子。我想首先指出一个非常有启发性的事实，即这个新粒子的存在是在它被实际探测到之前几年根据纯理论的考虑而预测的。此外，因为人们从理论上预测了它的一些主要性质，所以从实验上发现它也大有帮助。
做出这一理论预测的功劳归于英国物理学家狄拉克。他利用爱因斯坦的相对论，结合量子理论的一些要求，推导出电子能量下的公式。在计算结束时，他得到了表达式E2。这样，最后一步就是求这个表达式的平方根，并找到对应于E本身的公式。众所周知，当取平方根时，通常有两个不同的可能值:一个是正的，另一个是负的(例如，4的平方根可以是+2或-2)。在解决物理问题时，人们习惯于认为负值“没有物理意义”，而不去考虑它们，换句话说，他们只是把它们视为没有任何意义的数学怪物。在上面提到的特定情况下，负解应该对应于具有负能量的电子。不要忘记，根据相对论，物质本身是能量的一种形式，所以具有负能量的电子意味着它具有负质量。这简直难以置信！如果你对这样一个粒子施加重力，它就会离开你。如果施加推力，它会冲向你——这与具有正质量的粒子的“可触知”行为相反。当然，完全有可能认为我们有足够的理由认为这个方程的负解“没有物理意义”忽略它！
狄拉克的精明之处在于他没有采用这种思维方式。他认为电子不仅可以有无限多种不同的正能量量子态，还可以有无限多种不同的负能量量子态。问题是，一旦一个电子处于负能量量子态，它必定会表现出负质量的独特表现，这当然是从未被观察到的。那么，这个奇怪的负质量电子到底在假设的哪里？
为了摆脱这个难题，有些人可能会马上说，这只是一个电子不喜欢负能量的量子态。出于某种原因，他们让这种量子态永远空着。然而，这没有意义。我们已经知道，虽然原子中有一些量子能态，但电子自然倾向于跳到最低的可用能态并辐射出它的能量(除非这个能态已经被其他电子占据——根据泡利的不相容原理，那么它就不能再跳了)。在这种情况下，我们应该认为所有的电子在任何时候都会从较高的正能量状态跃迁到较低的负能量状态。他们不是都表现不好吗？！
狄拉克提出的解决方案可能非常奇怪。他认为，熟悉的电子之所以不能跃迁到负能态，是因为所有的负能态都被占据了——无限多的负能态被无限多的负质量电子占据了！如果是这样，为什么我们看不到他们？他说，严格来说，这是因为电子太多了。它们形成了一个完整的连续体。这些电子处于完全规则和均匀分布的“真空”中。
无法检测到完整的连续体。你不能指着它说“就在这里”到处都是。不管它在哪里，它都不会比其他地方多一点或少一点。当你穿过它时，你不会感觉到它在你面前更密集，在你身后留下一个“缝隙”——当汽车在空中行驶，鱼在海里行驶时就是这种情况。因此，它不会对运动产生任何阻力...
听了这话，汤普金斯先生感到头晕目眩。真空——一个完全的真空——完全被某种东西占据了！它就在你身边，甚至在你的内心，但你就是看不见它！
他开始做白日梦。他似乎变成了一条鱼，在水里度过了一生。他感觉到清新的微风和碧波荡漾的大海。然而，尽管他游得很好，他却无法让自己留在海里，开始越陷越深。奇怪的是，他并不觉得缺少空气，而是觉得很舒服。“也许，”他想，“这是一种特殊的隐性突变的结果。”
根据古生物学家的说法，生命始于海洋。在鱼类中，第一个迁移到陆地的是所谓的肺鱼，它爬到沙滩上，用鳍爬行。根据生物学家的说法，最早的肺鱼逐渐进化成陆生动物，如老鼠、猫、人类等。但是他们中的一些人，像鲸鱼和海豚，在学会克服陆地上生活的所有困难后，已经回到了大海。它们回到水中后，仍然保留着它们在陆地斗争中所需要的优势，仍然是哺乳动物，母鲸和海豚在体内受孕，而不仅仅是扔掉鱼卵和由雄性授精。著名的匈牙利科学家西拉德不是说过海豚比人类有更高的智力吗？！
他的想法被一只海豚和一个普通人在海洋深处的对话打断了。汤普金斯先生认出这个人是剑桥大学的物理学家狄拉克，因为他以前看过他的照片。
“你听着，狄拉克，”是海豚在说话，“你总是说我们不是在真空中，而是在一种由负质量粒子形成的物质介质中。就我的感觉而言，水和空间没有区别。水非常均匀，我可以在水中*地向各个方向移动。然而，我从我曾祖父的曾祖父那里听到了一个传说，那就是在陆地上是完全不同的，那里有许多山和峡谷，我不需要费很大力气就能穿过，在这里，在水中，我可以向我选择的任何方向移动。”
“就海水而言，你是对的，我的朋友，”狄拉克回答。“海水会在你的身体表面产生摩擦力。如果你不摆动你的尾巴和鳍，你就根本不能移动。同样，由于水压随着深度而变化，你必须依靠身体的膨胀和收缩来升降。然而，如果水没有摩擦力和压力梯度，你会像用完火箭燃料的宇航员一样无助。我的海洋是由质量为负的电子形成的，没有任何摩擦，因此无法被观察到。物理仪器只能观察到电子的消失，因为负电荷的消失等于正电荷的出现，甚至库仑也能注意到。
“然而，当用普通的海洋来比喻我的电子海洋时，我们必须指出两者之间的一个重要区别，以免被这个比喻带得太远。问题是，既然形成我的海洋的电子必须遵守泡利原理，当所有可能的量子能级都被占据时，就没有办法在这个海洋中增加一个电子。通过这种方式，一个额外的电子必须停留在我的海洋表面，所以它可以很容易地被实验识别。电子学最早是由唐木孙发现的。无论电子是围绕原子核旋转还是在真空管中飞行，它们都是多余的电子。在我1930年发表第一篇论文之前，我们外面的空间一直被认为是空的。当时，人们认为只有偶然溢出到零度以上的水花才具有物理学的真实性。”
“但是，”海豚说，“既然你的海洋是连续的，没有摩擦，所以不能被观察到，谈论它有什么意义呢？”
“好吧，”狄拉克说，“现在让我们假设有外力迫使一个负质量的电子从海洋深处升到表面上。在这种情况下，可以再观察到一个电子，人们可能会认为这种情况违反了守恒定律。然而，由于这个电子的离开，现在在海洋中形成了一个可观察到的洞。”
“这就像海里的一个气泡，”海豚指着从深海中出现的地方。一个慢慢飘向大海的泡泡说，“像那样？”
“没错，”狄拉克同意道，“在我的世界里，我们不仅可以看到从电子海洋中冲出的正能量电子，还可以看到真空中留下的空穴。这种空虚是因为错过了以前存在的东西。例如，原始电子带有负电荷，在均匀分布的连续体中没有负电荷应该理解为那里存在等量的正电荷。同时，负质量的不存在也应被视为正质量的出现，正质量与原始电子大小相同，但取正值。换句话说，这个空洞的行为就像一个完全正常的粒子被触碰一样。它的行为与电子相同，只是它带正电荷，而不是负电荷。正因为这个原因，我们称之为正电子。这样，我们可以看到电子对的产生——一个电子和一个正电子在空间的同一点上。”
“这真是一个美丽的理论，”海豚评论道，“但这真的是事实吗……”
“下一张幻灯片。”教授那熟悉的命令式的声音打断了汤普金斯先生的梦，“我刚才说过，探测连续体的唯一方法就是试图扰乱它。如果你能在连续体上打一个洞，那么你可以说，“整个连续体无处不在，但这里是个例外。”女士们。先生们，这正是狄拉克建议的:请在空地上打一个洞！现在这张图片可以告诉你，这已经完成了！
“这是一张泡室的照片。也许我应该解释一下，气泡室是一种粒子探测器，有点像威尔逊云室，但它的内容正好相反(云室在粒子通过的地方产生小水滴，而气泡室在粒子通过的地方产生小气泡)。气泡室是由美国物理学家吉尔发明的，他因此获得了1960年诺贝尔物理学奖。据说有一次他坐在酒吧里，沮丧地看着他面前啤酒瓶里的气泡。他突然想到，既然威尔逊可以通过气体中的液滴来研究粒子，为什么他不能通过液体中的气泡来更好地研究粒子呢？威尔逊膨胀气体，将过饱和水蒸气冷却成小水滴。那么，为什么他不能降低液体的压力，让它过热沸腾呢？这正是气泡室所做的:它用液体中的一串气泡来标记带电亚原子粒子的踪迹。
这张特殊的幻灯片展示了两个电子-正电子对的产生。一个带电粒子进入了这张图片的底部。每个人都看到了角落里的互动。由于这种相互作用，不仅带电粒子从原来的路径转向右边，而且产生一个中性粒子，它立即变成两个高能伽马射线。你既看不到第二个粒子，也看不到它产生的伽马射线，因为它们是电中性的，不会留下一串气泡。后来，每束伽马射线产生一个电子-正电子对，这是图中顶部的两个V形轨道图案。请注意，两个V的下端指向原始交互站点。
“还应该注意到，所有这些轨道都有规律地向一侧或另一侧弯曲。这是因为一个强磁场沿着我们的视线方向作用于整个气泡室。这个磁场导致照片中带负电的移动粒子顺时针转动，而带正电的粒子逆时针转动。在这种情况下，你现在应该能够识别每对中的电子和正电子。顺便说一下，有些轨道比其他轨道弯曲得多。这是因为弯曲的程度取决于粒子的动量:粒子的动量越小，其轨迹的曲率越大。你现在一定已经开始意识到，泡泡屋的图片充满了各种线索，可以指引我们如何继续前进！
“现在你已经知道如何在真空中打洞，你一定想知道接下来会发生什么……”
听了这话，汤普金斯先生并不感到意外。他的思绪回到了他自己是电子的时候，他惊恐地回忆起他是如何避开好战的正电子的。然而，教授继续说下去:
......正电子的性能一直和普通粒子一样，直到它遇到一个普通的带负电的电子。这时，电子将立即落入这个洞并填满它，所以连续体将回到它的原始状态，电子和正电子(洞)都将消失。我们称这个事件为正电子和正电子湮没。当它们结合时释放的能量以光子的形式发出。
刚才，我一直把电子描述为从狄拉克海洋溢出的东西，把正电子描述为海洋中的空穴。然而，我们也可以颠倒这一观点，将普通电子视为空穴，让正电子充当溢出的粒子。无论从物理还是数学的角度来看，这两个图像都是绝对等同的。不管选择哪个图像，实际上没有区别。
事实上，电子不是唯一有反粒子的粒子(我们称它们为正电子)。与质子相反，还有一个反质子。正如我们所料，它的质量与质子完全相同，但它带相反的电荷，换句话说，反质子带负电荷。反质子可以被视为另一个连续体中的空穴。这一次，连续体由无限数量的负质量质子组成。事实上，各种粒子都有反粒子，我们称之为反物质。
现在有这样一个问题:“如果我们说在我们居住的宇宙的这一部分，物质在数量上明显占主导地位，我们是否应该想象在宇宙的其他部分，情况会发生逆转？”换句话说，从狄拉克海到我们周围的飞溅一定要被某个地方缺少这样的粒子所补偿吗？
这个极其有意义的问题很难回答。事实上，由于由带负电的原子核和围绕它旋转的正电子组成的原子应该具有与普通原子完全相同的光学性质，我们不能通过任何光谱分析来解决这个问题。就我们所知，例如，构成仙女座星云的物质很可能是这种倒转的类型。然而，证明这一点的唯一方法是取一块这样的材料，看看当它与地面上的材料接触时是否会被抹去。当然，这将是一次极其猛烈的爆炸！
事实上，最常见的方法是观察星系相互碰撞。如果一个星系由物质构成，而另一个星系由反物质构成，当一个星系的电子和另一个星系的正电子相互湮灭时，释放的能量将会大得惊人。但是观察结果告诉我们，没有证据证明这种情况发生了。因此，假设宇宙中几乎所有的物质都属于一种类型可能更安全。如果不是这样，宇宙中一半的星系应该是物质，另一半是反物质。
最近，有人提出，在宇宙开始时，物质和反物质的数量可能相等。然而，在大爆炸的发展过程中，各种各样的相互作用有利于物质的存在，而不是反物质。正是从那时起发生的这一系列行动的结果，使得今天的宇宙变得不平衡。然而，这种观点目前只是一种假设性的推测。
乔治·加莫夫