安德森意外在实验中发现正电子

前面我们讲过狄拉克预言正电子存在的故事。但是，科学家的预言不论怎么诱人、合乎逻辑，要想让人们承认还是必须用实验来证实——用实验找到正电子。

美国物理学家安德森，1936年获得诺贝尔物理学奖。

幸运的是，在预言提出不久，正电子由美国物理学家安德森（Carl David Anderson，1905—1991，1936年获得诺贝尔物理学奖）在研究宇宙射线时偶然地发现了！

我们知道，宇宙射线（cosmic rays）里有大量高速运动的原子核，主要是氢核，也就是质子；也包含一些氦核和微量的其他更重的核。这些宇宙射线粒子来源于太阳和活动剧烈的恒星（如超新星爆发），它们像密集的暴风雨般不间断地向地球簇射。

射向地球的宇宙射线粒子在穿过宇宙空间时，又被宇宙空间里由各恒星产生的磁场加速，获得更高的能量。在科学家还没有制造出加速器以前，核物理学家只能利用宇宙射线中的高能粒子引起一些核反应来研究基本粒子。宇宙射线不像放射性物质那样容易控制，所以逼得科学家常常爬上高山，或利用热气球升到高空做实验，那儿有更多的宇宙射线粒子。

密立根是当时世界上研究宇宙射线最有名气的物理学家之一，正在为宇宙射线的起源问题做最后的努力，因此作为密立根的研究生，安德森必须服从导师研究的大方向，集中精力来研究宇宙射线。

1930年，25岁的安德森计划用云室做他的博士论文研究。他用的云室因为加了一个很强的磁场，所以又称为“磁云室”（magnetic cloud chamber）。加强磁场以后，宇宙射线里的带电粒子在云室里就会发生偏转，于是留下的径迹就成了各种优美的曲线，而不再是以前那种千面一孔的直线。根据这些优美的曲线，物理学家可以做出以下辨别：

（1）根据偏转的方向，用高中物理课上学过的“右手定则”来判定粒子带电属性；带正电荷的粒子与带负电荷粒子的偏转方向，正好相反；

（2）根据径迹偏转的程度，即径迹曲率的大小，可以判别粒子的速度（亦即能量）的大小：粒子速度越快，它就越不容易偏转，径迹就越“僵直”（即曲率越小）；

（3）根据径迹的宽度和密度，可以判定粒子的质量。这就像在新下过雪的雪地上，我们可以根据雪面上留下的径迹，判断是小鸟还是小猫在雪地上走过一样。如果是重粒子，由于它们不断与气体原子相撞，留下的径迹就又粗又清晰。所以一个质子留下的径迹，与一个电子留下的径迹是大不相同的，有经验的研究者一眼即可分辨出来。

安德森使用的磁云室是当时世界一流的，因为他的磁云室的磁场是世界最强的，达到地磁强度的10万倍，所以带电粒子在他的磁云室里偏转的径迹很容易识别。有一天，磁云室里出现的几条淡淡的径迹让他大吃一惊。从径迹的宽度、密度，他一眼认出，这是电子经过磁云室留下的径迹；但从径迹偏转的方向来看，它与电子径迹偏转的方向正好相反，也就是说安德森新发现的径迹应该是带正电的电子径迹。

可是，安德森并不知道英国狄拉克提出正电子这件事，因此安德森百思不得其解。当然，他可以退一步思考，认为这条奇怪的偏转径迹是带正电的质子留下的，但安德森见过无数电子径迹，他不相信这奇怪的径迹是质子留下的。质子的质量是电子的近2000倍，径迹比电子的要粗许多，密度也大得多。安德森还可以退一步认为，这条奇怪的径迹不是通常由上向下运动的电子留下的，而是由下而上运动的电子留下的。我们知道，同一带电粒子运动方向相反时，它们偏转的方向恰好相反。但宇宙射线通常都是从天上射来，应该由上而下，现在说这奇怪的径迹是由于地球“反弹”而射向天空，未免牵强附会，难以自圆其说。而且，后来安德森发现大量这样奇怪的径迹，多得根本无法用从地面“反弹”来解释。但他一时又拿不出更好的解释。

在安德森发现这一奇怪现象时，密立根正好在欧洲参加学术活动，于是安德森迫不及待地寄去11张最清楚的磁云室照片。密立根是一个好大喜功的人，他立即把这些照片给欧洲同行们看，并且声称：“这是质子的径迹。”但欧洲同行们不同意这种意见，因为对质子来说这些径迹太细又太不清楚了；他们多数认为它们是电子的径迹。

密立根回到加州理工学院后，安德森还犹疑地认为可能是向上运动电子的径迹。但密立根却坚持认为，宇宙射线只能向下而不会向上运动，因此，这奇怪的径迹只能是质子引起的，而且他还把安德森的照片作为他的宇宙射线理论的证明。学生拗不过导师，因此论文发表时安德森只好认为这条无法解释的行迹是质子留下的。

首次在磁云室里发现的正电子径迹。图中磁场的方向为垂直书面向里。中间放了一块6毫米厚的铅片。

后来，安德森想了一个妙不可言的主意，他在磁云室中间横着放了一块6毫米厚的铅片。如果粒子从上而下飞进磁云室，它们在经过铅片时会损失一部分能量，到了铅板下侧时运动会减慢，因而会弯曲得更厉害一些。由1931年拍出的照片可以清楚看出，这个正电粒子是从上而下运动的，电子由下而上运动的猜测被彻底否决了。但是，安德森还是不同意密立根说的这是质子飞行留下的径迹，而认为应该是带正电的“类电子粒子”留下的。

安德森的发现很快被传开了，1931年12月美国《科学新闻快报》登出了“错的”曲线径迹照片。这时他也许听说过狄拉克的研究，但在封闭的加州理工学院的他并不明白其含义，因此他一直不知道自己发现的是什么粒子。后来还是杂志的编辑建议把这个让人不安的正电粒子取名为“正电子”（positive electron，后来简化为positron），安德森同意了。

1932年9月，安德森在做了更多的实验观测后，更相信自己是对的，因此不顾密立根的反对，在《物理评论》上宣布，他发现了“质量比质子小”的带正电荷的粒子。幸亏他的这一近乎“鲁莽的举动”，否则他就会失去获得诺贝尔奖的机会了。

因为正电子是人类发现的第一个由量子力学推出的反粒子，事关重大，因此有些故事还应该继续讲下去，否则读者不明白做出一个伟大的发现有多么困难。

一般科学书籍讲到安德森1932年底的文章发表后，就简而概之地告诉读者：由此，正电子被发现了。其实事情远没有这么简单。安德森不知道狄拉克理论，所以只是宣布他发现了一个“质量比质子小的”带正电的“类电子粒子”，他并没有明确指出这种粒子是反粒子，也不知道它与电子的关系；他只不过猜测，当宇宙射线和空气相撞时，产生了一种与已有粒子不同的、带正电的新粒子。

而这时的欧洲物理学家，则远比安德森更多地了解狄拉克的理论。所以，当欧洲物理学家们看到安德森的文章和照片以后，他们就积极而认真地思考这样一个极重要的问题：安德森猜测的正电粒子是不是就是狄拉克方程推出来的那个神秘的正电子呢？如果是的，那么按照狄拉克的理论，当宇宙射线碰撞气体中的粒子时，如果产生了正电子，那一定同时还会产生一个电子；它们同时产生，并在磁云室中向相反的方向中偏转，形成一个“V”形的径迹。安德森只看见正电子径迹，却没有看到V形径迹。爱因斯坦说“是理论决定你看到什么”，实在很有道理。

因此，安德森的发现，给欧洲物理学家留下了一个很大的施展本领的机会。卢瑟福手下的一班干将立即摩拳擦掌，杀上了战场。

英国物理学家布莱克特。1948年获诺贝尔物理学奖。

有一个大个子物理学家叫布莱克特，1932年他在自己的磁云室里也独立地发现了“拐错了方向”的电子径迹。他可是近水楼台先得月呀，因为狄拉克的办公室就在他们实验室隔壁。可惜的是卢瑟福一贯认为实验才是科学前进的指路牌，认为只有在实验中发现了奇妙不解的现象以后，理论物理学家才派上了用场。而且，卢瑟福对狄拉克那些过分抽象的数学，多半采取避而远之的态度。所以他手下的物理学家对狄拉克的理论，也不怎么在意。但毕竟就在隔壁，接触机会还是很多，不受一点影响不可能，不像安德森远在大西洋的另一边。

布莱克特发现“拐错了方向”的电子径迹，就想到了狄拉克的反电子理论，于是到隔壁询问狄拉克。可惜这位一字千金的狄拉克金口难开，两个人谈不到一块儿去。狄拉克也没有惊喜如狂地抓住这个实验来证实他的理论，他与卢瑟福正好相反，他认为理论只要漂亮，就一定是正确的，因此他对用实验验证自己的理论几乎是“不屑一顾”；而布莱克特对狄拉克那一套高度抽象的数学理论虽说不一定排斥，却也不甚了了。所以，他问了几句以后看着不愿意多说话的狄拉克，只好耸耸肩离开了他的办公室。

在强强磁场作用下，电子一正电子对的运转轨迹呈相反运动方向的螺旋形，在上面靠左方的节点处形成一个倒V（）形。

幸运的是过了不久，和他在一起工作的奥恰里尼（G. P. S. Occhialini，1907—1993）知道了安德森的发现，他们这才突然醒悟到，他们无数次地看到过正电子的径迹，但却视而不见。他们有好几百张宇宙射线的磁云室照片，上面显示出非常丰富的正电子，而且十分关键的是，他们的照片上还有正负电子对的V形照片！这可是对狄拉克理论最佳的证明，而且也是安德森没有想到要找的东西。奥卡里尼是意大利人，比英国人容易冲动而且多几分浪漫，他立即带着这个了不起的好消息冲到卢瑟福的家里去报喜，他甚至激动地亲吻了为他开门的女仆。

接着他们开足马力，全身心投入这场伟大的发现之中。到1932年深秋，他们收集了700张左右效果极佳的宇宙射线磁云室照片。在对它们进行了仔细的分析后，他们得出了如下结论：

（1）宇宙射线碰撞磁云室里气体的粒子时，每次碰撞大约产生10个正负电子对，在同一碰撞的地方分道扬镳；

（2）经过对径迹密度等的分析，可以断定正电子和负电子的质量没差别，数量精确相等。又因为地球上一般不存在正电子（出现后立即与电子一起湮灭成为辐射），所以，正负电子对是宇宙射线碰撞磁云室中气体原子核而产生的；

（3）每次产生一对正负电子对时所需的能量，可以根据爱因斯坦质能公式算出，是电子（或正电子）质量的2倍（即0.5MeV）。

1933年2月7日，伦敦皇家学会收到他们两人的文章：“假设的正电子的性质”。在这篇文章里，他们报道了新发现的正电子的大量事例，还引用了中国物理学家赵忠尧（1902—1998）1930年发表的文章。文章中有一段关键的话是：

也许重原子核对γ射线的反常吸收与正负电子对的产生有关，而额外散射的射线与它们的消失有关。事实上，实验上发现，额外散射的射线与所期望的湮灭有相同的能量等级。

安德森听说剑桥大学有人正在研究正电子，他慌了神，急忙写了一篇题为《带正电的电子》（Positive Electron）的论文，于2月28日寄给《物理评论》。

布莱克特和奥卡里尼多少受到住在隔壁的狄拉克的影响，所以后来居上；而安德森却受到密立根的阻碍，浪费了不少时间。幸亏安德森不盲目信任导师，在1932年不顾一切地抢先发表了论文，这才使他在1936年“因为发现了正电子”得到诺贝尔物理学奖。但奇怪的是，布莱克特却没有在1936年获得诺贝尔奖，而是在1948年“因为改进了威尔逊云室方法以及由此做出的在核物理领域内和在宇宙射线方面的一系列发现”获得诺贝尔物理学奖。

密立根最终接受了正电子的观点，并且强调正电子是宇宙射线的重要成分之一。但奇怪的是，密立根在他1950年出版的《自传》（The Autobiography of Robert Millikan）中，几乎没有提到安德森的名字！密立根又一次显示了他那霸道的坏作风。