中微子的难兄难弟

中微子的踪迹是人们在β衰变的能谱中察觉到的，但是还有一种粒子正电子却是科学家从对称性考虑预言的。正电子的质量和自旋跟电子一样，其电荷符号与电子相反，而电量相同。更加奇妙的是正电子的发现标志着一个庞大的反世界发现的开始。这是怎么回事呢？

像中微子是科学家在理论上先预言而后经过实验探索一样，反物质或者说反世界也是理论物理学家用笔尖发现的。如果说有什么不同的话，那就是反物质的发现在实验上非常及时，也非常顺利。故事从20世纪20年代中期说起。那个时候量子力学的基本方程——薛定愕方程以及海森堡矩阵方程已经建立起来了，但是美中不足的是，这些理论都是非相对论的。他们建立的方程不满足狭义相对论的要求，就是说，在所谓相对论洛仑兹变换下，方程所描述的规律会发生变化。用更通俗的话说，这意味着不同的惯性系（相互之间做匀速运动的系统）物理系统的动力学规律会不一致，光速不变原理（在任何惯性系，光速保持不变）会遭到破坏。由于微观世界粒子的运动速度并不低，相对论效应是不能忽略的。

除此之外，这些方程在处理带电粒子（如电子、质子等）之间的电磁相互作用，是当作库仑力来处理的。我们知道，所谓库仑定律描述电磁作用，就像牛顿引力定律描述引力作用一样，作用力的传递是“瞬间”实现的，完全不花费时间，这当然属于经典“超距”论，与相对论的基本原理相违背。相对论认为相互作用的传递，与任何信号的传递一样，都是需要时间的。

把狭义相对论与量子力学结合起来的最早尝试是美国科学家戈登与克莱因，其时在1926～1927年。但是由于他们的方程本身的一些问题，如存在负概率（有－0.3的“机会”，没有意义），再加上当时没有发现方程对应的微观粒子，戈登-克莱因方程并未引起人们重视。

1928年，英国物理大师狄拉克时年26岁，刚荣获剑桥大学物理学博士不久，已发表《量子力学的基本方程》、《量子代数学》等蜚声科坛的论文多篇，于1928年又建立了满足相对论要求的量子力学方程，即今天广为人知的狄拉克方程。这个方程奇妙之处在于，电子只要满足相对论要求，必然具有自旋，必然有一个很小的磁矩。更加奇怪的是，方程除一个解就是我们熟知的电子以外，还有一个所谓“负能解”。负能有什么意义呢？难以理解。

薛定愕

狄拉克

这个负能解是什么？1928年12月，狄拉克提出所谓“空穴”理论解释。狄氏称，“真空”应理解成负值的能级完全被电子占据的状态。这种真空态中处于负能级的电子观察不到，而且永远也不能观察到。因此这种真空又称狄氏海洋。但是，如果我们用足够能量的光子，如2个能量超过0.51兆电子伏的光子碰撞，就能“产生”1个普通电子和1个“空穴”。真空中的“空穴”，怪哉！“无中之有”？

这里“无”空穴代表电子占据负能级的状态。但是，难道“有”空穴代表电性与电子相反（即带正电）的某种粒子占据正能级的状态么？当时知道的带正电的粒子只有质子，因此狄拉克认为“空穴”就是质子。1931年，德国大数学家、物理学家魏尔与美国年轻物理学家奥本海默分别指出，“空穴”质量应该与电子质量相同，不可能是质子。1931年9月，狄拉克从善如流，改而大胆预言，所谓“空穴”乃是尚未发现的一种新粒子，其质量、自旋等性质与电子完全相同，唯独带正电的新粒子，他命名为反电子。他进而断言，质子也有反粒子存在。

狄拉克悲观地预计，反电子的发现要等24年！但是他错了，好消息很快从宇宙射线的观察中传来。一年后，1932年8月，美国物理学家安德逊利用云雾室拍摄宇宙线照片，发现反电子。他在《科学》上发表的论文最后写道：“为了解释这些结果，似乎必须引进一种正电荷粒子，它具有与电子质量相当的质量；……”1933年5月他称这种新粒子叫正电子。就这样，实际上狄拉克提出了一种新的对称性，即正反粒子对称，或电荷共扼（C）对称理论。安德逊发现的正电子是这种新对称性的第一个实验证据，尽管安氏当时并不知道狄氏预言。按照狄拉克的说法，所有的微观粒子都有其反粒子。正反粒子的电荷应相反，如果是中性粒子，则判断反粒子的标准，就是正反粒子则相遇，质量会全部转化为能量，以高能γ光子的形式辐射出来。安德逊因为发现正电子而荣获1936年的诺贝尔物理学奖。

说到这里，我们不能不提到我国的著名科学家赵忠尧在发现正电子中的开创性工作。赵忠尧20世纪20年代末到30年代初，在美国加州理工学院研究γ射线的吸收和散射，尤其是重元素的反常吸收问题。在其实验中，实际上已发现正、负电子的湮灭，并且安德逊发现正电子的工作正是在赵忠尧的工作直接启发下完成的。这段往事是在杨振宁和李炳安在20世纪90年代初，花了不少精力，钩沉积年文献，得以澄清。

正电子的发现者安德逊

安德逊发现正电子轨迹

原来赵忠尧首先研究γ射线（高能光子）被轻元素的吸收，就有杰出的发现。当他研究重元素的吸收时，发现伴随有附加的辐射，测量到附加辐射的光子能量为0.5兆电子伏。实际上，赵忠尧在此已经发现正电子。他测量到的是正、负电子的湮灭所发射的γ辐射。

e﹢+e-→γ（现测量为0.51兆电子伏）

其研究成果于1930年4月29日在美国国家科学院发表。测量工作非常困难，要求异常严格。以致其后一两年内，其他实验组，如英国剑桥的塔兰特、柏林的迈特纳和霍普菲等均未能重复赵的实验。这说明赵的实验所具有“经得起时间检验”的“简单又可靠的典范美”（杨振宁语）。

赵的不幸，在于布莱克特和奥恰里安在其权威论文《电子对的湮灭》中引用赵的结论时发生不应有的错误。遂使赵的先驱性、开创性的工作未受到应有的重视，渐渐湮没无闻。

赵忠尧和安德逊两人同在攻读博士。正是赵向安建议，应该在云雾室中做一做这个实验（后来安德逊果然在云雾室中发现正电子）。赵的实验还影响到安德逊、布莱克特和奥恰里安在1933年最终“采纳空穴理论”，而定名新发现粒子为正电子。

赵忠尧

赵的工作在60余年以后终于得到世人公认。1983年安德逊公开撰文，意味深长地追忆：“在我做该项工作期间（1927～1930年，有关云雾室中X射线产生的光电子分布的工作），赵忠尧博士在离我不远的屋中，正在用静电计测量Th232（钍的一种同位素）γ射线的吸收和散射。他的发现引起了我极大的兴趣。我计划的实验是用置于磁场中的云雾室研究Th232γ射线与物质的相互作用探讨对赵忠尧研究结果的更进一步说明”

1979年4月，78岁高龄的赵忠尧率中国高能物理代表团访问德国汉堡电子同步加速中心，参加新建的佩特拉正负电子对撞机落成典礼。在此工作的诺贝尔物理学奖得主丁肇中向参加典礼的国际高能物理学界的硕学鸿儒击节赞叹道：“要不是赵教授在30年代对正电子湮没发现所做的巨大贡献，我们今天就不会有正负电子对撞机，也没有今天的物理研究。”历史终于做出公平的裁决。

亚原子世界的反世界

随着亚原子粒子发现越来越多，它们的反粒子也相继发现，人们终于领悟到所谓电荷共轭原理是极其普遍的原理。所有的亚原子都存在相应的反粒子（一般是电荷相反），这些反粒子可以构造反原子、反分子，形成一个反物质世界。

中外科学家探测到迄今人类所知最重反物质（10亿次碰撞揪出“反氦-4”）

1995年5月，欧洲核子中心利用氙原子与反质子对撞，成功产生9个反氢原子，这是世界上首次人工合成反物质。此前人们还只能说“看到”反粒子，现在凭着自己的智慧“创造出”反物质。反物质世界正在向我们招手。

正电子是世界上第一个被理论预言并迅即在实验中发现的粒子，也是庞大的反粒子世界中第一个飞向我们眼帘的使者。可以毫不夸张地说，正是狄拉克用笔尖发现魅力无穷的“反世界”。无怪乎，英国皇家学会将这一发现誉为“20世纪最重大的发现之一”。物理大师海森堡则宣称：“我认为反物质的发现也许是我们世纪中所有跃进中最大的跃迁。”

在天文学史上，23岁的英国大学生亚当斯与法国的青年助教勒威耶在1845～1846年，借助于牛顿力学预言太阳系中还应存在第八个行星，并经过德国天文台的卡勒的观察发现海王星的佳话，流传至今160余年，人们百谈不厌。相形之下，比起“笔尖下发现海王星”，更加动人、更有价值的狄拉氏“在笔尖下发现反世界”的故事，反倒不大为一般人知道，岂非冤哉枉也？莫非是“阳春白雪，和者盖寡”，自古而然？

关于反粒子我们现在知道的是光子的反粒子就是它自己。其他的所有亚原子粒子的反粒子一般都确认，与粒子本身不同，包括很多中性粒子，如中子的反粒子就是反中子。但是本书的主角中微子的反粒子呢？我们在前面都默认反中微子、中微子不是同一种粒子，但是这一点并未得到实验证实，因为要证实它的唯一途径就是将中微子与反中微子发生碰撞而产生湮灭，这一点这个实验是很难做的。实际上，还有一种中微子理论——马约拉纳中微子理论，预测自然界中可能存在一种费米子，其反粒子就是它自身。我们现在一般认为中微子和反中微子是不同的粒子，其手性相反。现实中的中微子自旋与其运动方向，可以用左手定则表示，我们说其手性是左旋的，因此，反中微子的手性则认为是右旋的。从目前的实验观测来看，发现的三种中微子都是具有手性的。至于马约拉纳中微子则没有发现，但最近传来在地球上发现了马约拉纳粒子的消息。

C变换下左旋的中微子变成右旋的反中微子