新疆域
                          FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫  著
上海科技教育出版社 1999.12

扫描，校对：异调


基础科学新疆域（FRONTIERS OF SCIENCE），朱宝如  译

                         驯服反物质

    通过一些理论计算，判定有某种从未被人观测到的东西的存在，
而且随后就有人观测到它。在科学事业中，恐怕再没有比具有这种才
干更令人激动的了。而一位名叫保罗·狄拉克（Paul Dirac）的物理
学家就有。

    1928年，他根据当时新创立的量子力学方程，计算电子的性质。
方程似乎显示出应该存在着两类电子，相互为反。普通电子带一个负
电荷，而另一类（“反电子”）应该带一个正电荷。在其他方面两者
均相同。

    根本没有观测到这种带正电的电子，因而在当时很少有人认真地
谈论狄拉克。然而，到了1932年，当时正在研究宇宙线的物理学家卡
尔·安德森（Carl Anderson）探测到了一个粒子的踪迹，这是在宇宙
线撞击大气原子时产生的。这一粒子留下了一条同电子十分相像的轨
迹，然而朝相反方向弯曲。这意味着，粒子带有一个正电荷，而不是
负电荷。它就是一个反电子，或者按照它的电荷，安德森称之为“正
电子”。

    狄拉克立即获得了1933年度诺贝尔奖，而安德森则获得了1936年
度诺贝尔奖。

    然而，狄拉克方程适用于各种粒子。如果电子具有反粒子，那么
质子、中子，以及很多其他粒子肯定也存在着反粒子。所有这些反粒
子应该能聚合在一起，形成一种原子，它的性质与普通原子相反。这
些相反的原子将构成“反物质”。

    质子比电子约重1800倍，因而要想生成一个反质子，就需要1800
倍的能量。若要等待能量足以生成一个反质子的宇宙线出现，就要很
长时间，但是，科学家不必等待。他们在建造着更大、更高能量的粒
子加速器，而到20世纪50年代，己经建成了能量高到足以生成反质子
的加速器。两位科学家，埃米利奥·塞格雷（Emilio Segre）与欧文
·张伯伦（Owen Chamberlain），在1955年完成了这一工作，因而获
得了1959年度诺贝尔奖。

    宇宙中自然存在的反物质似乎很稀有，但是，科学家已经在实验
室中制造出了一些反物质。他们之所以能够做到这一点，主要应归功
于狄拉克。他通过简单的数学推算，指出可以做到这一点。

    然而，要想仔细研究这类反物质是很困难的，因为就单个反粒子
而言，它们一旦生成后，就具有很高能量，并以高速运动。另外，在
远远短于1秒的时间内，每个反粒子一定会与其同类的普通粒子相碰撞，
因为一个反粒子周围的所有东西都是由无数普通粒子组成的。一旦相
碰，反粒子与粒子就会寿终正寝；两者同时消失并转化为能量。这被
称作“相互湮灭”。

    这样便提出了一个课题，如何驯服反物质，即如何使反粒子减速，
并且使之远离无数的普通粒子，以避免灭顶之灾。只有这样，科学家
才有机会去仔细研究它们。

    在瑞士日内瓦，建有目前世界上研究粒子的最强大的设备，欧洲
的物理学家们似乎正在完成这一任务。20世纪50年代以后，粒子加速
器变得越来越强大。而日内瓦的加速器是现有的最强大的一个；它能
够产生数目巨大的反质子。

    让产生出来的反质子穿过金属铍，大概有一半反质子与金属铍中
的质子相互作用而消失。剩下的一半与原子外围的电子（反质子不与
它们发生相互作用）碰撞，从而损失了大部分能量并穿透出来。

    这些穿透出来的反质子射入一个保持真空状态的搜捕器中，这样
就只有极少一些粒子会经受碰撞而湮灭。搜捕器还保持在接近绝对零
度的温度，这样就进一步使得反质子的能量近乎耗尽；另外，搜捕器
内有一磁场，使得反质子来回反跳而碰不到器壁，否则就会湮灭掉。
采用这种方法，反质子可以存在达10秒之久，也许还能更长些。

    这样，科学家就有机会去精确测定反质子的质量。狄拉克理论预
言反质子的质量应该与质子质量严格相等。这正是科学家希望测得的
结果。如果他们做到了，那么狄拉克理论就会获得比以往更强有力的
支持。

    然而，如果发现这两者之间有任何小的偏差，这会同谜团未解一
样激动人心。这就意味着必须修改并扩展狄拉克理论。因而，就可能
别开一个生面，深化对宇宙特性的认识。