第14章 真空中的洞穴
女士們、先生們：
今晚，希望您特別注意我要講的內容，因為我們要討論的問題既困難又引人入勝。我將講到一種新的電子——“正電子”，它具有許多不可思議的特性。我們應該留意的是，這種新粒子早在其被探測到的好幾年前，就已經有人用純粹的理論推測加以預言了。另外，由於人們已從理論上預見到它的一些主要性質，這對於從實驗上發現它也有巨大的幫助。
做出這一偉大預測的人是英國物理學家保羅·狄拉克，您已經聽說過他的名字。他基於理論推斷得出的結論過於怪異和驚奇，以至於大多數物理學家都在很長一段時間內拒絕相信。狄拉克理論的基本思想可以用這樣一句簡單的話來表達：“在真空處應該有孔。”我知道你很驚訝，而所有物理學家的反應和你們一樣。在真空處怎麽可能有孔？這有意義嗎？是的，如果有人推測所謂的真空實際上並不像我們認為的那麽空，這就有可能。而且，事實上，狄拉克理論的要點在於所謂的真空空間實際上是由無限數量的普通負電子以非常規則和統一的方式堆積在一起的。不用說，這種古老的假設並沒有得出狄拉克純粹是在幻想的結論，但他或多或少地被迫這麽做，出於許多有關普通負電子理論的考慮。實際上，該理論不可避免地得出這樣一個結論，即除了原子運動的量子態外，還有無限個特殊的“負量子態”屬於純真空，除非有人阻止電子進入這些“更舒適的”運動態，否則，它們都將放棄自己的原子，並且可以說將被溶解為空白空間。此外，防止電子隨心所欲運動的唯一途徑，就是讓這個特定的點被其他電子所“占據”，它必須在真空中具有所有這些量子態，而真空被均勻分布的無限電子所充滿。
恐怕我的話聽起來像是某種科學咒語，讓您毫無頭緒。但是這個話題確實非常難，我隻希望如果您繼續專心地聽，最終能夠理解一些關於狄拉克理論的本質。
不管怎樣，狄拉克最後得出了這樣的結論：真空中充滿了電子，以均勻但無限高的密度分布。我們怎麽會根本不注意它們，而將真空視為一個空無一物的空間？
如果您將自己想象成一條懸浮在海洋中的深水魚，可能就會明白這個答案。這條魚即使聰明到足以提出這樣一個問題，會意識到它正被水所包圍嗎？
這些話使湯普金斯先生從課堂剛開始的瞌睡中清醒了過來。他有點像漁夫，感到微風輕拂海麵，碧濤起起伏伏。雖然他遊泳還不錯，卻無法停留在海麵上，並開始向深處沉下去。奇怪的是，他沒有空氣不足的感覺，而是感到很舒服。他想，也許這是特殊隱性突變的結果。
根據古生物學家的說法，生命起源於海洋，最早走向幹旱陸地的先驅是所謂的肺魚，它爬到海灘上，靠鰭行走。根據生物學家的說法，這第一批肺魚在澳大利亞被稱為澳洲肺魚，在非洲被稱為原鰭魚，在南美被稱為南美肺魚。它們逐漸演變成陸生動物，就像老鼠、貓和人。但是其中一些如鯨魚和海豚，在發現陸地生活中的困難後，又回到了海洋。在水裏，它們保留了在陸地鬥爭過程中獲得的品質，並仍然是哺乳動物。雌性在體內懷胎，而不是隻甩出魚子，再由雄性授精。匈牙利著名科學家西拉德不是說過海豚比人類更聰明嗎？
狄拉克正在與海豚專心對話
他的思想被海洋深處的某段談話打斷了，在說話的是一隻海豚和一個典型的智人。湯普金斯先生曾在照片上見過這個人，他是劍橋大學的物理學家狄拉克。
“聽著，保羅，”海豚說，“你認為我們不在真空中，而是在由負質量粒子形成的介質中。我認為水和真空沒有任何差別，它很均勻，我可以在各個方向上任意遊動。但我從我的祖祖祖先那裏聽到一個傳說，就是陸地與水裏非常不同。那裏有很多高山和峽穀，必須費很大力氣越過它們。而在水裏，我可以自由自在地遊動。”
狄拉克回答：“我的朋友，在海水裏你是正確的。水在身體表麵產生摩擦，如果不移動尾巴和鰭，將完全無法移動。另外，因為水壓會隨著深度變化，你可以通過擴大或收縮身體來向上浮動或向下沉。但是，如果水沒有摩擦並且沒有壓力梯度，那麽你會像火箭燃料用完的宇航員一樣無奈。我的海洋是由帶負質量的電子形成的，完全沒有摩擦，因此不可觀察。隻有缺少一個電子的情況才能用物理儀器觀察，因為缺了一個負電荷等效於多了一個正電荷，甚至庫侖也可以注意到它。
“在比較我的電子海洋和普通海洋時，我們必須注意到一個重要的例外，才不至於過度延伸這個類比關係。關鍵在於，既然形成我的海洋電子必須遵守泡利原理，當所有可能的量子能級都被占滿的時候，就無法再往海裏添加哪怕一個電子了。這樣就會有一個多餘的電子停留在我的海洋表麵上，很容易通過實驗識別出來。電子最早是由湯普森發現的，不管是圍繞原子核盤旋的電子，還是通過真空管飛行的電子，都是這種多餘的電子。直到我在1930年發表了第一篇論文之前，我們之外的空間一直被認為是空無一物的。人們認為，物理現實僅屬於偶爾飛濺到零能量表麵之上的水花。”
“但是，”海豚說，“如果由於海洋的連續性和無摩擦而無法觀察到你的海洋，那談論它又有什麽意義呢？”
狄拉克說：“假設某些外力將其中一個帶負質量的電子從海洋的深處舉起到海平麵以上，在這種情況下，可觀察到的電子數就增加了一個，這被認為是違反守恒定律的。不過，由於這個電子的離開，海洋中現在形成了一個可觀察到的空洞。因為在均勻的分布中缺少一個負電荷將被視為存在等量的正電荷。這個帶正電的粒子也將具有正質量，並且將沿著與重力相同的方向移動。”
“你是說它會漂浮而不是下沉？”海豚驚喜地問道。
“當然，我確定你已經看到過許多物體被重力拉到海底，比如從船上扔下來的東西，有時候甚至是船本身。但請看這裏！”他打斷自己說道，“看見這些升到水麵的小銀色物體了嗎？它們的運動是由引力造成的，但卻朝相反的方向移動。”
“但那隻是氣泡，”海豚反駁說，“他們可能逃脫了某些含有空氣的東西，這些東西已經翻轉或破裂，撞到了海底的岩石上。”
“正是，但你不會看到氣泡在真空中飄浮。因此，我的海洋並非空無一物。”
“非常聰明的理論，”海豚說，“但這是真的嗎？”狄拉克說：“當我在1930年提出這個理論時，沒人相信。這在很大程度上是我自己的錯誤，因為我最初認為這些帶正電的粒子無非是質子，這是實驗家眾所周知的。當然，你知道質子比電子重1840倍，但我希望通過一些數學方法解釋在給定力的作用下增加的阻力和速度，並從理論上得出1840這個數字。但我沒有成功，而且我海洋中的氣泡的物質質量將變得與普通電子的質量完全相同。我的同事泡利，我必須說他是一個很有幽默感的人，四處宣稱他所謂的“泡利第二定律”。他計算得出，如果一個普通電子接近從我的海洋中移出電子而產生的孔，它將在極短的時間內將其填滿。因此，如果一個氫原子的質子真的是一個“孔”，它會被圍繞它旋轉的普通電子瞬間填充，並且兩個粒子都會在一道閃光中消失，準確地說，是伽馬射線的閃光。當然，所有其他元素的原子也會發生同樣的情況。現在，如果第二保利定律要求物理學家提出的任何理論必須用於自己的血肉之軀，我在有機會將自己的想法告訴別人之前就被毀滅了。就像這樣！”說著狄拉克消失在一道炫目的閃光中。
“先生，”一個怒氣衝衝的聲音在湯普金斯先生的耳邊響起，“你有權在課堂上打瞌睡，但你不應該打鼾，我根本聽不到教授在說什麽。”
然後，湯普金斯先生睜開眼睛，再次看到了擁擠的教室和老教授，他繼續講道：
現在，當行進的空穴遇到正在狄拉克海洋中尋找舒適地方的多餘電子時，讓我們看看會發生什麽。顯然，這種相遇的結果是，多餘的電子將不可避免地掉入空穴並將之填充，而觀察該過程的物理學家在驚訝之餘將把這個現象叫作正負電子的相互湮滅。這個過程釋放出的能量將會以短波輻射的形式發出，代表著兩個電子相互吞噬後僅剩的部分，就像著名兒童故事中的兩隻狼一樣。
但也可以想象一個反向過程，即一對負電子和正電子是通過強大的外部輻射“從無到有”產生的。從狄拉克的理論來看，這樣的過程隻是簡單地從連續分布中剔除一個電子，實際上不應該被認為是一種“創造”，而是兩個相反電荷的分離。在我現在展示的圖中，這兩個電子“創造”和“湮滅”的過程以非常粗糙的示意圖表示出來，可以看出此事沒有任何神秘之處。我必須補充的是，盡管嚴格來說，正負電子對的產生可能會在絕對真空中進行，其可能性也極小；你可能會說真空中的電子分布過於平滑，無法打破。另外，在重粒子的存在下，它們充當了伽馬射線深入電子分布的支撐點，正負電子對產生的可能性大大提高，並且很容易觀察到。
但是很明顯，以上述方式創建的正電子將不會存在太久，很快就會在與一個負電子的相遇中被湮滅，而負電子在我們宇宙的一角擁有巨大的數量優勢。這個事實使我們相對較晚地發現了這些有趣的粒子。實際上，關於正電子的第一份報告僅在1932年8月寫出（狄拉克的理論於1930年發表）。在他的宇宙輻射研究中，發現了在各個方麵都與普通電子相似的粒子，唯一重要的區別是它帶有負電荷，而不是正電荷。此後不久，我們學會了一種簡單的方法來產生電子對，即通過在實驗室條件下通過發送強大的高頻輻射束（放射性伽馬射線）轟擊任何種類的物質。
在下一頁上，您將看到宇宙射線正電子的所謂“雲室照片”，以及電子對產生的過程本身。但是在這樣做之前，我必須解釋一下獲得這些照片的方法。雲室或威爾遜室是現代實驗物理學中最有用的工具之一，它基於以下事實：任何通過氣體的帶電粒子都會沿其軌跡產生大量離子。如果氣體中充滿了水蒸氣，那麽小水滴就會凝結在這些離子上，從而形成沿整個軌道延伸的薄霧層。在黑暗的背景上用強光束照亮這個霧蒙蒙的帶狀物，我們可以獲得完美的照片，顯示了運動的所有細節。
現在投影在屏幕上的兩張圖片中，第一張是安德森拍攝的宇宙射線正電子原始照片，並且順便說一下，這是該粒子第一次被拍攝到。穿過照片的寬水平帶是橫跨暗室放置的厚鉛板，而正電子的軌跡被視為穿過該板的細彎曲刮痕。這個軌跡是彎曲的，因為在實驗的過程中，雲室被置於強磁場中，影響了粒子的運動。鉛板和磁場用於確定粒子攜帶的電荷符號，可以根據以下論點來完成。眾所周知，磁場產生的軌跡偏轉取決於運動粒子帶電的符號。在這種特殊情況下，磁體的放置方式應使負電子向其原始運動方向的左側偏轉，而正電子將向右偏轉。因此，如果照片中的粒子向上移動，可能帶有負電荷。但該如何判斷移動的方向呢？那就是鉛板進來的地方。穿過鉛板後，粒子一定失去了部分原始能量，因此磁場的彎曲作用會更大。在當前照片中，軌道在鉛板下麵彎曲得更強烈（乍看幾乎看不到，但在鉛板測量中顯示出來了）。因此，粒子向下移動，其電荷為正。
另一張照片由劍橋大學的詹姆斯·查德威克拍攝，展示了在雲室的空氣中產生電子對的過程。一道強烈的伽馬射線從下方進入，在照片中沒有產生可見的軌跡。它在暗室中間產生了一對電子，並且兩個粒子正相互分離，在強磁場的作用下向相反的方向偏轉。看著這張照片，您可能想知道為什麽正電子（位於左側）在通過氣體的過程中並未被湮滅。狄拉克的理論也給出了這個問題的答案，並且打高爾夫球的人都會很容易理解。如果在果嶺推杆時，太用力擊球，即使目標準確，它也不會掉入洞中。實際上，快速移動的球隻會在洞上彈起並向前滾動。同樣，快速移動的電子要等到速度大大降低後才會落入狄拉克的孔中。因此，當正電子沿軌道碰撞而減速時，更有可能在其軌跡的盡頭湮滅。實際上，仔細觀察會發現，伴隨湮滅過程的輻射實際上存在於正電子軌跡的末端。這進一步證實了狄拉克的理論。
現在仍然有兩個要點需要討論：第一個要點是我一直將負電子稱為狄拉克海洋的溢出物，而將正電子稱為其中的空穴。然而，人們可以反過來想，將普通電子視為空穴，從而使正電子具有拋出粒子的作用。為此，我們僅需假設狄拉克的海洋沒有溢出，而是相反，它的粒子始終是不足的。在這種情況下，我們可以將狄拉克的分布形象化，就像一塊瑞士奶酪，上麵有很多孔。由於普遍缺乏粒子，空洞將永遠存在。如果其中一個粒子從分布中被拿出，很快就會再次落入其中一個洞中。但應該說明的是，無論從物理還是數學角度來看，這兩張照片都是絕對等效的，無論我們選擇哪一張都沒有影響。
第二個要點可以用以下問題表示：如果在我們所生活的世界中，負電子的數量有明顯的優勢，我們是否可以假設在宇宙的其他部分中這是相反的？換句話說，在我們的世界中，狄拉克海洋的溢出是否會因其他地方缺少這些粒子而得到補償？
這個極其有趣的問題其實很難回答。實際上，由於由圍繞負原子核旋轉的正電子所建立的原子將具有與普通原子完全相同的光學特性，因此無法通過任何光譜觀察來解決這個問題。就我們所知，很有可能物質的形成就是通過這種混亂的方式，比如大仙女座星雲。但是證明它的唯一方法是握住一塊那樣的物質，看看它是否因與地麵物質接觸而湮滅。當然，這會導致一場可怕的爆炸！最近有一些討論是關於隕石在地麵大氣中爆炸的現象，這會不會是因為這些隕石正由這種混亂的物質所組成呢？但我卻對這種觀點不以為然。實際上，這個關於狄拉克的海洋在宇宙不同部分溢出和幹涸的問題可能永遠得不到解答。