微觀粒子發現史之六:神奇的反物質世界

2020-12-02 科學背後的故事

無論從哪方面說,狄拉克都是一個奇人。

他不愛說話,而量子力學諸位星星們可都是吵架高手,尤其是泡利,那是懟天懟地懟空氣,就是玻爾愛因斯坦見了他也是戰戰兢兢,唯恐說錯了那句話被他揪住,狄拉克卻是惜字如金,同事們乾脆為他定義了一個狄拉克單位,就是一個小時說一個字。

他為人靦腆,當時的物理界大多是撩妹高手,薛丁格就不說了,那是開放婚姻的先驅,對婚姻的態度刷新了人類底線,愛因斯坦純粹的渣男一個,娶了表姐不說,還和女間諜勾勾搭搭,還是個蘿莉控,別人好歹都是個正常人,見了漂亮姑娘也知道吹聲口哨,可狄拉克根本就不會談戀愛,還是老婆倒追的他,就是獲了諾貝爾獎也不想去領。

可是就是這麼一個靦腆羞澀的人,把量子力學和相對論結合在了一起,讓玻爾和愛因斯坦都讚不絕口,這就是著名的狄拉克方程。

狄拉克方程還不僅僅是把量子力學和相對論結合在了一起,還發現了一個新世界。

因為狄拉克方程有負數解,這就意味著可能還存在帶正電荷的電子,帶負電荷的質子,總而言之一句話,就是一個和我們這個世界完全相反的世界,這聽起來有點匪夷所思呀,要是碰上一般人,肯定認為自己的理論有問題,早就回去重新研究了,可狄拉克不這麼認為,他覺得他就不可能錯,要錯也是世界錯了,這就叫蔫人蔫脾氣呀。

可世界怎麼錯呀,狄拉克又不認為自己錯,那最好的辦法就是做實驗了,要是找到了正電子,那就是狄拉克對了,要是找不到呢,狄拉克就得認錯。

照例這活理論物理學家都不幹的,還得辛苦實驗物理學家,實驗物理學家中誰最優秀?當然是大居裡夫婦了,大居裡夫婦不但家學淵源,而且如老黃牛一般勤勤懇懇,這活不交給他們交給誰?

不過,此時大居裡夫婦正處於沮喪之中,他們剛剛錯失了的發現權,說起來都讓人心塞,實驗做完了,實驗報告都寫好了,可偏偏他們不知道盧瑟福預言了中子,結果被盧瑟福的學生查德威克看到了他們的實驗報告,查德威克立即敏感地意識到這就是找了十二年的中子呀,查德威克很快重複了實驗,就此發現了中子,然後就獲得了諾貝爾獎。

人家兩口子正鬱悶著呢,也不好麻煩不是,這活就交給了美國物理學家安德森,安德森不是搞量子力學的,他是研究宇宙射線的,當時他正和老師密立根一起工作,密立根也是一位大佬,他和大居裡夫婦恰恰相反,大居裡夫婦是衰神附體,他可是運氣爆棚。

密立根最著名的研究就是測定電子電量,不過他最早用的是水滴,好久都沒有結果,他不在的時候他的學生用油滴替換了水滴,就測出來了電子電量,他還反對愛因斯坦的光電效應,挖空心思做實驗要證明愛因斯坦錯了,結果實驗卻證明愛因斯坦對了,他也順便弄了個諾貝爾獎,在研究宇宙射線的時候,人們都認為宇宙射線是帶電粒子,只有他不這麼認為,要知道密立根是獲得過諾貝爾獎的大佬,而安德森剛剛畢業,面對老師的質疑,安德森就只能測量一下了。

要想看看是不是帶電,當然是對射線加上強磁場了,這是在祖師爺老湯姆孫就用過的方法,要想看清楚呢,那就引進威爾遜雲室拍張照片吧,這個大家都會呀,盧瑟福查德威克大居裡夫婦都是此道高手,。

於是安德森就在加了磁場的威爾遜雲室裡給宇宙射線拍了一張照片,看到這張照片,安德森一晚上都沒有睡著,因為這張照片太離奇了。

從曲率和偏轉方向看,其中一個肯定就是電子了,那另一個呢,既然偏轉方向相反,毫無疑問就是帶正電荷了,帶正電荷的只有質子了,可是也不可能是質子,這兩段軌跡幾乎完全相同,而質子質量是電子質量的1836倍,絕對不可能和電子有幾乎相同的軌跡的,那就只能是一種帶正電荷質量和電子相同的新粒子了,安德森給這個新粒子取名為正電子,有必要說一下呀,安德森發現正電子的時候可是還不知道狄拉克的理論呢。

安德森的論文發表之後,震驚了世界,不過最震驚的還不是狄拉克,而是大居裡夫婦。

大居裡夫婦看著相片越看越眼熟,趕緊回家翻資料,結果發現自己早就有這張照片了,只是又一次忽略了,這可是又一次諾貝爾獎呀。

看看大居裡夫婦是不是很遺憾呀,都錯失兩次諾貝爾獎,不過最遺憾的還不是他們倆,最遺憾的是我國的趙忠堯。

早在1929年,趙忠堯就發現了正負物質湮滅現象,只是當時人們沒有認識到這是什麼現象,直到兩年後,他的同門師兄弟安德森發現了正電子,人們才意識到他發現的重要意義,安德森自己也承認趙忠堯實驗結果出來時,他就在趙忠堯隔壁辦公室,他當時就意識到這可能有一種新粒子,就是在趙忠堯的啟發下他才發現了正電子。

由於趙忠堯的卓越貢獻,諾貝爾獎委員會曾一度打算授予趙忠堯諾貝爾獎,最後斟酌良久,還是授予了安德森,後來他的學生楊振寧李政道還是獲得了諾貝爾獎,算是為老師報了一箭之仇。

1936年,安德森來到了瑞典,當他登上領獎臺時,主持人打量了半天,覺得安德森有點狂,雖然說發現了正電子,也不能安排兒子來領獎吧,真拿諾貝爾獎不 當回事啊,於是一臉懵逼地問道:"先生,請回去告訴你的父親,得獎的人從來沒有打發兒子來代領獎金的,基金會寧願由銀行匯給他本人,也不願讓他的兒子經手。"

面對主持人的問題,安德森都是一臉懵逼的平方了,不知道諾貝爾獎委員會什麼時候添了這規矩,領獎還得帶著親爹來,也沒聽說別人帶爹來呀,轉念一想,安德森就明白了,都怪自己太年輕了,當時他才31歲,也怪不得人家誤會,安德森不失禮貌地反問道:"先生,是誰告訴您說,得獎的是我父親而不是我呢?"。

不管怎麼說,大家看到安德森獲得了諾貝爾獎都有點眼紅,不就是拍兩張照片嗎?誰不會呀?於是大家紛紛在宇宙射線中找反質子,找到了就是諾貝爾獎呀。

可是找了十來年都沒有找到,狄拉克一看這也不是個事,趕緊算了一下,結論是要想找到反質子,必須要有足夠的能量,目前發現的宇宙射線能量也就是個正電子的輻射能量,要想找到反質子至少要比目前的能量大1836倍,需要64億電子伏特的能量。

狄拉克的話並沒有澆滅人們心頭的火焰,既然宇宙射線沒有這麼高的能量,那就自己動手創造出來吧,於是物理學界高唱起了"南泥灣"。

創造高能粒子的方法就是加速器,因為質子的質量是固定的,要想提高能量就只能提高質子的速度,加速器這個技術在"曼哈頓工程"中就已經成熟了,不過那時候粒子的能量還不夠高,要想找到反質子,就需要建造新的加速器。

1954年,當時世界上的原子粉碎器——高能質子同步穩相加速器在美國加州伯克利開始運行。1955年加速器的能量達到了出現反質子的閾值,張伯倫、塞格雷開始尋找反質子了,即便是能量達到了,可要尋找反質子還是無異於大海撈針,因為反質子出現的機率太小了,大約1000億個質子碰撞才可能產生少量反質子,不過功夫不負有心人,張伯倫和塞格雷還是找到了60個反質子,雖然不多但足以證明反質子的存在了,兩人也因此獲得了諾貝爾獎。

從尋找反質子開始,物理學也從唯美的田園時代進入了粗暴的工業時代,想一想從克卜勒伽利略牛頓那個時候起,物理學家們都是在觀察這個豐富多彩的世界,然後用自己睿智的大腦提出理論來解釋世界運行的規律,法拉第麥克斯韋愛因斯坦玻爾他們都是這樣做的,可是在發現反質子過程中,卻是人類自己親手製造了一個儀器來尋找世界背後的秘密,時代確實已經變了。

找到了反質子,當然就要尋找反中子了,可是反質子還好理解,就是質量相同,電荷相反,可是中子本身就不帶電荷,那反中子和中子有什麼區別啊,區別還是有的。

還是從根上看吧。

中子是一個質子和一個電子還有一個中微子構成的,那麼反中子就反過來吧,就由一個反質子和一個正電子還有一個反中微子構成就可以了,先看反中微子了,在上一節中,我們說了中微子,卻沒有說怎麼發現,就是由於那個時候還沒有說反物質的概念,也就不方便說反中微子了,而中微子的發現確實比正電子晚一些,而且反中微子還比中微子早發現。

解釋完中微子的事情,還是說反中子,雖然可以用發現反質子相同的辦法去找到反中子,就是用大量中子去撞擊,應該能產生反中子,可反中子不帶電荷,那怎麼樣才能知道這是中子那個是反中子呢?

雖然知道反中子的構成,可是正電子帶正電荷,反質子帶負電荷,兩者中和了,中微子不帶電,宏觀上看還是不帶電,又不能鑽進去看看裡面又什麼,到底怎麼才能區分中子和反中子呢?

還是有辦法區分的,中子的磁矩和自旋方向相反,那麼反中子就是磁矩和自旋方向相同,不過這還是沒法從宏觀上找到反中子。

還是從反質子上想辦法吧,反質子帶有負電荷,只要反質子把自己的負電荷交出去或者搶一個正電荷過來就是反中子了,反質子已經很難找了,這樣看的話,反中子就更難了。

不過功夫不負有心人,考爾克,朗具爾特森,麥瓊和萬採爾這四個美國物理學家用發現反質子設備找到了反中子,他們把反質子射束(每小時800一600個反質子)穿過液體的閃爍補數器A(如下圖),此計數器中裝滿了在甲苯中的聯三苯的溶液。在溶液中,一反質子和質子作用"湮沒了",但也有一些反質子(大約03%)將其電荷給予了質子而自己變為反中子。

現在物質世界和反物質世界的微觀粒子都發現了,不過還有一個問題,那麼還有沒有其他粒子呢?

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