反物质武器真的存在吗？从科幻到现实，反物质如何被一步步认知

3月24日，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家进行了一项测试，他们用一辆卡车载着92个反质子绕CERN园区兜了一圈。虽然车程只有10公里，却是科学家历史上第一次实现反物质的运输，为未来更加深入地研究反物质的性质奠定了基础。

在丹·布朗的作品《天使与魔鬼》中，1/4克反物质就是能炸掉梵蒂冈，是威力远超核弹的武器。而在科学家眼中，反物质的意义更加重要。我们生活在一个由物质组成的世界里，而在宇宙诞生时产生的反物质却不知所踪。“正反物质不对称”之谜堪称物理学中的最大谜团之一，也隐藏着解开宇宙演化秘密的钥匙。

我们此前曾推荐过英国物理学家弗兰克·克洛斯的科普作品《中微子》，而在他的另一部代表作《反物质》中，他就为我们讲述了近一个世纪以来科学家发现、研究反物质的故事。在下文中我们能够看到，1923年，从天而降的宇宙射线拉开了物理学家研究反物质的序幕。

在我们头顶上方几千米处，来自外太空的高能量的亚原子粒子流和γ射线正高速冲入大气层。它们与大气层发生碰撞，产生大量的次级粒子，其中的大部分在到达地表之前就被空气吸收了，因此在地面上只剩下无伤大雅的一点点辐射。

除了通常的电子、质子和原子核，这些“宇宙射线”还包括一些之前地球上没见过的怪家伙。其中就包括我们没见过的正电子，一种电子带正电的反粒子。

简而言之，这个故事始于1923年，当年人类首次得到了宇宙射线的成像；其中就有正电子的影像，只是当时并没有人意识到这一点。之后的1928年，狄拉克预言了这种正电荷版本的电子的存在。又过了4年，人们才在宇宙射线中发现了正电子。人类的第一反应认为正电子是来自于外太空的，直到后来科学家们才发现，其实地球上也在时刻产生着——某些放射过程就会产生正电子。之所以一直没有注意到它们，是因为我们所处的世界与正电子相悖，所以它产生以后迅速地就毁灭掉了。

▲狄拉克

在狄拉克提出其理论的5年前，人们就看到了正电子，只是尚未意识到这种发现。1923年，科学家斯科贝尔金（Dmitry Skobeltzyn）在列宁格勒研究γ射线；他使用了云室（可以显示能导致电离的粒子径迹的装置，是最早的带电粒子探测器）来观察γ射线。

我们经常能在天空中看到一条长长的云带，可以持续数分钟；其实这是飞机飞过之后留下的蒸汽拖尾，所以这条云带就是飞机飞过的痕迹。拖尾中包含有飞机尾气凝结的小水滴，从而形成一条长长的薄云层。人们用相似的理论制作出了云室，并用它首次看到了粒子轨迹的影像。云室是一个玻璃盒子，其中充满了低压而潮湿的空气；盒子中配有一个活塞，可以瞬间将空气压入盒子内部。当带电粒子经过盒子内部，就会凝结其周围空气中的水蒸气，从而形成微小的蒸汽拖尾，通过这个拖尾就能知道粒子的位置和运动轨迹。对于20世纪早期的原子物理学家而言，云室就像天文学家手中的望远镜，可以帮助他们看到普通视野以外的东西。

γ射线不会直接形成拖尾；就像赫伯特·乔治·威尔斯（H. G. Wells）的小说中，隐形人跳入云里之后，便消失得无影无踪。所以斯科贝尔金就在思考怎么才能抓住γ射线。γ射线虽然不可见，但它会将云室内原子中的电子碰撞出来，这些电子就会产生拖尾；由此，斯科贝尔金觉得是有希望佐证并观察到γ射线的。

通过实验，他发现这个方法确实可行，但似乎有点过犹不及。γ射线的能量太高，除了会从气体中打出电子之外，还从云室的室壁中打出很多电子，这样就干扰了他的观测。后来他想到了一个好点子，将云室放置在一个强力磁铁的两极之间，这样就可以清除掉干扰电子。这种设计使得拖尾云变得稀薄，轨迹更加清晰，此时他发现了一个意想不到的结果：磁场似乎引导着一些“电子”偏转到了“错误的轨道”上。

今天我们知道，他看到的是正电子——一种带正电的“反”版本的电子，但是在1923年时还没有这个理论。这种异常的拖尾现象很难理解，但也不失为他研究过程中的一个小乐趣。当然这个现象一直困扰着他。

他成功获得γ射线成像的消息慢慢传遍了科学界，5年后，斯科贝尔金决定在剑桥的一次国际会议上将这些成像公布于众。在场的所有人都和他当年一样感到十分惊讶，但都没能给出一个合理的解释。有趣的是，在同一年（1928年）的相同地点（剑桥），狄拉克不久之后就预言了正电子，而正电子的拖尾看起来就像电子运行在“错误的轨道上”。尽管如此，因为当时没人会想到存在正电子，所以虽然人们都知道斯科贝尔金的实验中一定存在某种新发现，但却没人发现这个大蛋糕。

磁场会影响带电粒子的运动轨迹。粒子的质量越小、速度越慢，那么磁场造成的偏转就越强；而从偏转的方向可以判断其所带电荷的正负：如果负电荷向左偏转，那么正电荷就会向右偏转。但是，在斯科贝尔金的云室实验中，他还看到了一些笔直的拖尾，这表示有些带电粒子沿直线传播。究其缘由，是因为有些电子运动速度极快，以至于磁场在影响区域内几乎无法作用于它，实际上它的速度远远超过了当时已知的任何放射源或γ射线所能提供的电子的极限。实际上这些电子是被宇宙射线从原子中轰击出来的。虽然当时斯科贝尔金没有意识到这点，但他却是第一个看到宇宙射线本身轨迹的人。现在几乎可以确定，当时的那些拖尾中不仅包括电子，还包括正电子；但是因为正电子的偏转并不明显，所以他没能仔细观测也没有再继续深入研究，从而再一次错过了发现正电子的机会。这个机会留给了美国人安德森（Carl Anderson），在狄拉克预言正电子存在的4年之后，1932年，安德森首次证实发现了正电子。

▲安德森和云室

美国物理学家罗伯特·米利肯（Robert Millikan）曾凭借其在电子电荷方面的测量成就获得1923年的诺贝尔奖，他创造了名词“宇宙射线”，并且对太空辐射的来源有着自己独到的理解。他认为宇宙射线就是γ射线，并把它称为“创世之时的分娩之痛”（虽然他这些说法的确含糊其词），而斯科贝尔金云室实验中的拖尾就是证据。要梳理清楚这些射线里到底包含什么，你首先需要将它们偏转，从而分辨出它们的电荷和能量，而这就需要一种更加强大的磁铁。如果有了足够强的磁场，那么无论粒子的速度有多快都会被偏转。1930年，米利肯建议他的学生安德森去制作一个足够强力的磁铁，以用于偏转宇宙射线。

在附近空间实验室的工程师的帮助下，安德森完成了这个任务。他的磁铁提供的磁场磁力是斯科贝尔金当年使用的10倍，由此安德森成功地偏转了粒子飞行轨迹。他惊奇地发现，宇宙射线中同时含有带正负电荷的粒子，两者数量相当。

因为米利肯认为宇宙射线是由γ射线组成的，而γ射线自身不会引起拖尾，因此他初步认为这些带电粒子一定是γ射线从原子内部轰击出来的。他的解释认为其中负电荷部分是电子，而正电荷部分是质子。但这个解释并不能与安德森得到的图像完全吻合。电子很轻，所以留下的拖尾应该是稀薄而细小的；质子笨重，所以留下的拖尾应该非常致密。安德森得到的图像中，所有的拖尾看起来都像电子，他因此认为那些留下“错误轨迹”的粒子并不是向下的带正电粒子，而是反向运动的电子。米利肯对此并不同意，基于他对宇宙射线性质的偏见，他坚持认为即使拖尾非常细小，但它们肯定是由我们上空射下的质子造成的。

为了说服老师，安德森用一块铅板将云室拦腰切断。如果某个粒子穿过铅板，它会损失能量，从而使得其轨迹弯曲度比之前更高。通过此方法，就可以清楚地知道这些粒子是向下还是向上飞行的了，也能一劳永逸地确定其电荷：向下动为正电荷，向上动为负电荷。

这个小小的改进，最终得到了答案：安德森和米利肯都错了！这些拖尾既不是来自于正电的质子，也不是因为电子反向运动，而是向下入射的“正的电子”。安德森对此倒是很满意，虽然他依然无法说服老师米利肯，这个故事之后我们会看到。

具有讽刺意味的是，其实安德森真正第一次看到的正电子实际上是向上运动的。后来证实，当时宇宙射线轰击到了铅板以下的空气原子，然后产生了零星的正电子向上运动，并最终穿过了铅板。这使得安德森十分困惑，好在很快他就发现了首个漂亮的例子，其中一个明显比质子轻得多的正电荷粒子向下运动并穿过铅板。接着他又发现了多个这种例子，证明这些“正的电子”从上向下运动，由此他终于有足够的证据对外公布这项结果了。《科学新闻快报》（Science News-Letter）的编辑在1931年12月刊出了这些粒子轨迹的一张图片，并命名为“正电子”。从此以后，这个名字开始传遍世界。

在1931年，普遍接受的观点认为：物质是由原子构成，而原子内部只有电子和质子。这种观点下，正电子是没有立足之地的，那么它们从何而来，又归于何处呢？安德森和米利肯住在美国西海岸，当时可没有今天这么发达的通信设备，所以他们只能偶尔与狄拉克交流一次，大多数时间并不知道狄拉克的工作进展和新的突破。虽然安德森首次发现了正电子，但是剑桥大学卡文迪许实验室的布莱克特（Patrick Blackett）和哈里利（Giuseppe Occhialini）最终确认了正电子的存在，并且解释了正电子的来源。

（本文节选自《反物质》第4章“宇宙新发现”，标题和配图为编者所加）

书名：《反物质》

‍♂️ 作者：[英]弗兰克·克洛斯

翻译：羊奕伟

内容简介

黑洞、弯曲时空、奇异粒子、夸克……物理学的所有令人费解的发现中，反物质的存在无疑是最神奇的一个，也给科幻作家们提供了极佳的创作空间。本书以反物质炸弹为切入点，结合科学实验、实例及现象，用通俗的语言介绍了人类对反物质逐步深入的研究历程，让读者能清楚地了解反物质的存在、产生、湮灭、存储、利用及影响等科学知识，是一部系统而通俗的反物质科普书。