正電子：讓電子不再孤單

大自然充滿了矛盾統一，有陰就有陽，有男便有女，今天要向單身的小夥伴們撒狗糧的便是物理界的一對明星「情侶」：電子和正電子。

眾所周知，電子是組成原子的基本粒子之一，它帶有單位負電荷，質量非常小。早在1897年，英國科學家湯姆遜就發現了電子，不過當時的人們並沒想到電子還有個叫「正電子」的另一半，就這樣讓電子當了幾十年的「單身漢」。

湯姆遜（J.J. Thomson，1856-1940）提出的原子「棗糕」模型，後來被認為是不正確的（網路圖）

轉機出現在1930年。兩年前，英國物理學家狄拉克為了描述電子的運動規律，將量子力學和相對論巧妙結合，建立了著名的狄拉克方程。1930年，他又據此及泡利不相容原理提出一系列理論，並預言必然存在一種與電子相反的粒子——正電子，它與電子質量相同但電荷相反。然而，當時多數科學家都對此付之一笑，認為狄拉克的預言不過是從數學推導出來的荒唐結論，不符合實際的物理規律。

狄拉克（P.A.M. Dirac，1902-1984，網路圖）

但是，遠在大洋彼岸的一位美國青年卻深受啟發，決心做一名好心腸的月老，幫單身幾十年的電子找到隱藏起來的另一半。

這位青年名叫安德森，年僅25歲，當時剛從「謝耳朵」的母校加州理工取得博士學位並留校任教。安德森的導師密立根是著名的實驗物理學家，曾因電子電荷測定等方面的傑出成就而獲得1923年的諾貝爾獎。在密立根的指導下，安德森當時從事宇宙射線方面的研究。

正在做實驗的安德森（C.D. Anderson，1905-1991，atomicheritage網）

宇宙射線，顧名思義，是來自外太空的射線。之所以叫射線，是因為人們曾認為它是由γ射線輻射組成的，實際則不然，後來發現宇宙射線是一種帶電高能次原子粒子。安德森當時所做的工作，便是研究宇宙射線的性質，並試圖從宇宙粒子中找到新粒子，尤其是找到傳說中的正電子。

置於強磁場中的威爾遜雲室是研究宇宙射線的最佳儀器，這種密閉容器內部充滿過飽和蒸汽，在射線通過時就會發生凝聚，從而在蒸汽中形成粒子的運動徑跡。安德森很快便建立了一座威爾遜雲室，並開始了緊鑼密鼓的實驗。

威爾遜雲室結構圖（uefap網）

經過不懈努力，安德森終於在次年觀測到一些重要現象，他發現宇宙射線的正電粒子和負電粒子數量基本相當，且這兩種粒子大多同時從一個中心發射出來。安德森進一步研究發現，正電粒子和負電粒子均帶有單位電荷，顯然負電粒子非電子莫屬，但正電粒子會是電子失散多年的「伴侶」——正電子嗎？或許它只是質子這個吃瓜群眾？

為了揭開正電粒子的真面目，安德森多次攜帶威爾遜雲室，冒險乘坐熱氣球升入高空進行實驗。安德森之所以要到高空中做實驗，是因為他認為宇宙射線在穿過大氣層時會被極大削弱甚至被完全吸收，地面實驗難免受到影響。月老當到這份上也是沒誰了！

月老：其實我姓安，名德森，是個物理學家（網路圖）

時間轉眼就到了1932年，在一次高空實驗中，安德森拍攝了1300多張宇宙粒子運動徑跡的照片。回到地面的實驗室後，他開始夜以繼日地分析研究每一張照片的每一個細節。功夫不負有心人，安德森最終發現15張照片存在異樣。在這些照片中，他發現若假設正電粒子是質子，則由於質子質量較大，計算所得的粒子運動行程將遠小於實際觀測值，唯一可能的結論便是正電粒子是正電子。

在安德森這位執著的月老的幫助下，電子終於找到了久違的另一半！

安德森利用威爾遜雲室發現的一條正電子運動徑跡（參考資料[2]）

正電子的發現，無疑是二十世紀物理學界的重大成就之一，它第一次證明了反物質的存在，為粒子物理學的形成和發展奠定了基礎。

1936年，年僅31歲的安德森獲頒諾貝爾獎，然而當他興沖沖地趕到斯德哥爾摩時，卻被工作人員拒之門外。還沒等安德森反應過來，工作人員就對他說：「先生，請告訴你的父親，基金會寧願把獎金通過銀行匯給他，也不會讓他的兒子來代領的！」作為史上最年輕的諾貝爾獎得主之一，安德森平靜地反問道：「你怎麼知道得獎的是我父親，而不是我呢？」

1936年風華正茂的安德森（維基百科）

最後，不得不提的是，雖然安德森的巨大貢獻是毋庸置疑的，但他獲頒諾貝爾獎卻是有爭議的，因為第一個發現正電子的另有其人，他正是我國核物理研究的開拓者之一趙忠堯先生。

趙忠堯（1902-1998，中科院高能物理所官網）

早在1927年，同在密立根指導下進行研究的趙忠堯就探測到了正電子和負電子碰撞時會發生湮沒現象。儘管安德森後來也承認自己的實驗深受趙忠堯的啟發，但由於種種原因，趙忠堯與後來的吳健雄一樣，都被諾貝爾獎完全忽視了。

--------------------------------------------------

參考資料：

薛鳳家. 安德森和正電子[J]. 物理與工程,2006,16(1):50-52.

苑紅霞. 正電子的預言與發現[J]. 大學物理,2002,21(2):34-36.