第二节 物质和反物质（2）
作者：陈李明
四、正电子
现在回到这一节开头提出的问题，真有反物质吗？
理论物理学家狄喇克曾经预测过，存在和构成物质的粒子相反的粒子存在。他由对亚朱子粒子性质所作的数学分析，推论出每一粒子都应有一反粒子，因此，应该存在一种反电子。这种反电子与电子完全相同，只是带有1个正电荷，而不是1个负电荷。当狄喇克在1930年提出此项理论时，并未引起科学界注意，然而两年后，反电子真的出现了。
奥地利物理学家V。F。赫斯1911年发现来自空间的辐射后，美国物理学家密立根收集了有关这种辐射的资料，称之为宇宙射线。他还断定它们是电磁辐射的一种，很像具有穿透力的R射线，只是波长要短一些。而以美国物理学家康普顿为首的科学家则主张宇宙射线是粒子，并提供了其受地球磁场偏转影响的证据。
当时正与密立根一同研究这一问题的美国物理学家安德森不满意问题就这样了结，于是想通过威尔逊云室来探测宇宙射线是否会受强力磁场的影响而弯曲。为了更好地测出可能存在的曲率，安德森在云室中安置了一块约10厘米厚的铅隔栏来充分降低射线的速度。他发现穿过铅后再穿越云室的宇宙射线的确有一弯曲经迹，而且当高能量的宇宙射线穿过铅时，它们还将一些粒子从铅原子中撞击出来，其中一种粒子形成和电子一样的经迹，但弯曲方向却相反，换句话说具有和电子相同的质量却带相反的电荷！这就是狄喇克预测过的反电子，安德森秒表称其为正电子。1963年，人们发现正电子也包括在原始辐射中。
从理论上来看，如果正电子单独存在时，则和电子一样的稳定，因为除了电荷不同外，其余都相同，并且应该可以永久地存在。然而，在一个充满电子的宇宙中产生的正电子，却并不能够单独存在。当正电子单独发射出时，几乎马上（例如在1/1000000秒内）就可以在附近找到1个电子。电子和正电子很可能会有片刻互绕一共同力心的情形，存在的时间最多也仅有10?span style="mso-text-raise: 4.0pt">7秒而已。电子和正电子结合在一起，彼此相互抵消，不留下任何物质的痕迹（相互湮灭），湮灭的产物便是以r射线形式存在的能源。这又一次肯定爱因斯坦提出的质能互换原理。
1945年，美国物理学家鲁阿克建议，将这种双粒子互绕一共同力心的情形称为电子偶素，1951年美国物理学家多伊奇通过电子偶素放出的特征r射线探测到电子偶素的存在。安德森也很快探测到相反的现象：r射线突然消失，而产生一正负电子时，这种现象称为对产生。此后不久，约里奥——居里夫妇在另外的情况下也碰见了正电子，并因此有了重要发现，我们将在后面的章节中介绍。
五、制造反电子
狄喇克还预言应该存在一种反质子，这种反质子带有1个负电荷，而不是像质子一样带1个正电荷。然而，要产生反质子需消耗极大的能量，具体来说就是产生反粒子所需的能量至少为形成正电子所需能量的1836倍。因此，必须有一种装置来加速亚原子粒子，使其具有足够的高能量。
1928年，英国物理学家约翰·科克罗夫特和瓦耳顿在卢瑟福的实验室中进行研究，研制出一种电压倍增器。这套设备是用来增加电位的，可使带电质子的能量增加到约40万电子伏（1电子伏等于1个电子在1伏特的电场中加速后所具有的能量）。质子在此机器中被加速而打破锂原子核，因此，他俩分享了1951年的诺贝尔物理学奖。[见《现代科学技术知识展示图集》第6页]
随后，科学家们发明了各种形式的加速器[见表1~ ]。
1952年，位于长岛的布鲁克海文国家实验室完成一高达2~3千兆电子伏的质子同步加速器，称为宇宙级加速器，因为它能达到宇宙射线粒子中心主要能量范畴。
1954年，加利福尼亚大学制造出高能质子同步稳相加速器，能产生5千兆-6千兆电子伏之间的粒子 。
表1—
美国物理学家范德喇夫建造了可将质子加速到等于8兆电子伏能量的静电发电机。
1939年，加利福利亚大学的劳伦斯发明的具螺旋状的回旋加速器能将粒子加速到约20兆电子伏的能量。
1945年，苏联物理学家维克斯勒和美国加州物理学家麦克米伦同时分别将回旋加速器改进为同步回旋加速器；1946年将能量提升到200兆——400兆电子伏。此后美、苏两国的大型同步回旋加速器又将能量提升到700兆——800兆电子伏。
同时电子加速器也受到重视。1940年，美国物理学家克斯特设计出电子感应加速器，可使电子速度提升到340兆电子伏。
1946年，高沃德和迈恩斯在英国建造的电子同步加速器可使电子能量增加到1000兆电子伏。
1947年，研究质子的物理学家开始模仿以上两种电子加速器的原理建造质子同步加速器，使质子在单一的圆形路径上运行，朝1000兆电子伏的上限努力。
有了高能质子同步稳相加速器，就可以制造反质子了。加利福利亚州的物理学家开始精心制造和探测反质子。1955年，张伯伦和塞格雷以6、2千兆电子伏的质子不断地轰击铜，确实得到了反质子。辨认反质子是很困难的，因为在反质子产生出来的那一瞬间，也同时产生了40000种不同的粒子。但通过探测器的精巧设计和排列得只有反质子才能到达所有的底板，这样便能确实无疑地分辨出粒子来。张伯伦和塞格雷由于这项成果获得了1959年的诺贝尔物理学奖。
反质子和正电子一样容易消失——至少就我们的宇宙而言是如此。在产生后的瞬间内，它就会被一般带正电的原子核夺走。反质子和核中的质子相互湮灭，转变成能量及更小的粒子。到了1965年，人们已可集中足够的能量来逆转此过程，并且产生质子——反质子时。
有时候，质子和反质子间只发生一种接近碰撞而不是直接碰撞，这时候，它们相互中和各自的电荷，质子因而转变成中子（质子失去正电荷就不再是质子，但质量仍然不变，这样的粒子当然是中子），但是反质子却变成了反中子。正电子由于本身所带的正电荷而为电子的相反物，反质子也是这个道理；但是既不带正电又不带负电的反中子和中子有什么相反的性质呢？反中子究竟是什么，真有反中子吗？
六、反中子
要了解什么是反中子，先要了解粒子的自旋。亚原子粒子通常都有自旋的特征，就像地球绕着自已的辐射旋转一样。粒子自旋这一特性是由荷兰物理学家伦贝克和古兹密特在1925年首先提出的。自旋时，粒子会产生一个小的磁场，这种磁场已由德国物理学家斯特恩和美国物理学家拉比探究并测出其大小。由于对这个现象的研究，两人先后获得了1943年和1944年的诺贝尔物理学奖。
这些被测到自旋为半整数（1/2）的粒子，像质子、中子和电子，可以按照1926年由费米及狄喇克分别提出的一套规则系统来处理，因此被称为费米——狄喇克统计法。符合此统计法的粒子称为费米子。因此，质子、中子和电子都是费米子。
另外，还存在能以整数表达自旋和粒子，它们可以由爱因斯坦及印度物理学家玻色所建立的另一套规则来处理，这一类粒子叫玻色子。
理解一带电粒子如何建立磁场很容易，然而要了解一个不带电的中子为什么也会建立磁场，就不容易了。其实，中子也会建 立磁场是毫无疑问的。直接的证据就是，当一中子束撞击磁化的离子时，和它撞击未磁化的离子时所表现出的行为不一样。中子的电性很可能是因为它本身是由其他带电粒子组成的，这些粒子在中子内互相抵消电性，但在其自旋时多少会建一个磁场。
不言自明，中子的自旋使我们易于理解什么是反中子了，它只不过是自旋方向和中子相反的另一中子而已。例如，它的南极是在上方而不是在下方。就像我们从地球的北极见到地球是逆时针旋转（左旋），而将地球倒过来从南极看到的地球则是顺时针旋转（右旋）。实际上，质子和反质子，电子和正电子也有极向相反的现象。
现在已证明了有反电子（正电子）、反质子和反中子存在，可以回答这一节开头的问题了，反粒子可以组合成反物质，就好像一般的粒子组合成一般的物质一样。反物质虽然不存在于我们这个物质世界中，但同样可以像制造反质子一样把它制造出来。
1965年，在布鲁克海文以7千兆电子伏的质子撞击铍靶，产生了反质子和反中子和组合物，一种被称为反氘核的反物质，这是第一个反物质的实例。既然反氦3能制造出来，那么只要努力去做，更多的复杂的反核原子也可以被制造出来。因此科学家相信反物质是能够存在的。
但是反物质是否真的存在呢？人类在观察宇宙时，放眼所及，到处都可以发现一种基本的不平衡现象。恒星、行星、小行星、岩石等等，一切都是由物质构成的，反物质实际上不见踪影。天文学家从未有探测到天空中任何地方有物质——反物质相互湮灭而产生的能量。既然物质和反物质除了电磁特性相反外，其他方面都相同，那么能够产生其中一种，也应该能够产生另一种。理论家们相信，物质的过量是物质与反物质行为的根本差异造成的，这些差异合起来导致了一种名为"电荷宇称反转"（CP）的对称性的破缺。
1999年初，科学家们通过在斯坦福直线加速器中心建造的"非对称BZJ"（ASYMMETRIEBFOCTORY）和在日本筑波的高能加速器研究机构（KEK）进行大规模实验，考察B粒子中的电荷宇称的破缺，也就是考察物质和反物质之间的不对称现象。参与此项目的斯坦福直线加速器中心的HELENRQUINN和圣也文拉加利福尼亚大学的MICHAELSNITNERELL说："如果一切顺利，我们甚至可能会认识到为什么我们的世界完全由物质构成。"这一项目有全世界19个国家近千名科学家参与，其成果将为21世纪的物理学奠定基础。
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