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安德魯發現正電子:努力和運氣的典範

1936年,瑞典首都斯德哥爾摩市,又到了一年一度頒發諾貝爾獎的時候,全世界在各個領域的傑出代表們匯聚一堂,湧入這個美麗而聞名的城市。對諾貝爾物理學獎獲得者C.D.安德森來說,這次來瑞典有著比其他獲獎者更多的感觸。他雖然出生在美國紐約,但他的父母都是瑞典人,從某種意義上講,這裡就是他的故鄉。因此,安德森比頒獎約定的時間更早就來到瑞典,四處遊覽一番,享受了一個難得的假期。

等到頒獎那天,會場上的氛圍很和諧,人們互相致意。到頒發諾貝爾物理學獎的時候,主持人說完讓獲獎者上台。年輕的安德森整理了一下西服,清了清嗓子,健步走上去。就在他準備拿起獎盃的時候,主持人卻說:「先生,請回去告訴你的父親,得獎的人從來沒有打發兒子來代領獎金的,基金會寧願由銀行匯給他本人,也不願讓他的兒子經手。」


安德魯發現正電子:努力和運氣的典範

安德

安德森先是一驚,隨即釋然,反問道:「先生,是誰告訴您說,得獎的是我父親而不是我呢?」

這下輪到主持人吃驚了。他顯然沒有料到,得獎者竟然如此年輕。不過,這也不是他的錯,因為安德森當年才31歲。而幫助安德森獲得當年諾貝爾物理學獎的成就就是他發現了正電子。

安德森於1927年畢業於美國加州理工學院,取得了物理與工程學的雙學位,1930年獲得哲學博士學位,而後便留在學校,跟隨其在物理學院的老師密立根(這也不是一個一般人物,他是基本電荷的測定者)一起研究宇宙射線。安德森早期的研究領域是X射線,他的博士論文研究了X射線使各種氣體放出的光電子在空間的分布情況。另外,安德森還著手研究了宇宙射線粒子的能量分布以及高速電子在穿過不同物質時的能量損耗。這些都為他後來發現正電子做了準備和鋪墊。

到了1932年,安德森跟老師密立根一起研究宇宙射線是電磁輻射還是粒子的問題。這是科學史上由來已久的一個模糊。在當時,以康普頓為首的一些科學家普遍認為宇宙射線是帶電粒子。但密立根卻並不同意,並為此事跟康普頓等人吵得不可開交。

那是8月份的第二天,晚上,師生二人一起去學校的食堂吃飯。安德森點了密立根最喜歡吃的飯菜,但後者卻唉聲嘆氣毫無食慾。安德森知道老師的煩心事,也不去挑破,但在心裡暗暗下定決心,一定要找出證據,擊破那些沒有根基的理論。當天晚上吃完飯,兩個人漫步在暑期的理工學院。學生都放假之後的校園獲得了難得的安靜,連天邊的夕陽看起來也溫柔了許多,把兩個人的影子斜斜地織在地上。一陣陣晚風徐徐吹來,校園裡茂盛的樹葉就嘩啦作響。

告別密立根老師,安德森並沒有回到宿舍休息,而是跑到了實驗室,開始研究實驗。研究射線的威爾遜雲室里煙霧瀰漫,宛若人間仙境。安德森做了幾個深呼吸,開始了今晚的工作。他讓宇宙射線去撞擊雲室中的鉛板,然後拍攝照片。等這些照片洗出來,他一張張翻看,突然有一張吸引了他的注意。這張照片顯示,宇宙射線穿過鉛板之後,軌跡發生了彎曲,有一個未知粒子的軌跡和電子的軌跡完全相同,但是彎曲的方向卻恰好相反。換句話說,這種尚未查明的粒子與電子的質量相同,電荷相反。於是,安德森並認為這是一種帶正電的電子。第二年,安德森又用γ射線轟擊方法產生了正電子,從而在實驗上完全證實了正電子的存在。從此,正電子便正式被列入基本粒子的行列。

當時安德森並不知道,在1928年物理學家狄克拉就在他著名的狄克拉方程式中預言了正電子的存在。這一方程的解很特別,既包括正能態,也包括負能態。狄拉克由此做出了存在正電子的預言,認為正電子是電子的一個鏡像,它們具有嚴格相同的質量,但是電荷符號相反。狄拉克根據這個圖象,還預料存在著一個電子和一個正電子互相湮滅放出光子的過程;相反,這個過程的逆過程,就是兩個光子湮滅產生出一個電子和一個正電子的過程也是可能存在的。而安德森在無意間幸運地發現了正電子的存在。

安德森的確是幸運的,因為在他之前,有兩次差點跟諾貝爾物理學獎失之交臂。

首先,走在安德森前面發現正電子的是約里奧·居里夫婦,這兩個人是著名科學家皮埃爾·居里夫婦的女婿與女兒。他們兩個人首先觀察到正電子的存在,但遺憾的是,這並未引起他們足夠的重視,從而錯過了這一偉大發現。這對居里夫婦雖然能力上並不亞於他們的父母,但是他們還真有點「馬大哈」,因為他們不但錯過了正電子的發現,還同樣錯過了中子的發現及核裂變的發現,以致於三次走到諾貝爾物理學獎的大門前而被拒之門外。三次啊,想想也是醉了。

另外一個差點從安德森手裡搶走獎盃的人值得我們關注一下,因為這是一位中國科學家。他叫做趙忠堯,而且,有趣的是,他也是密立根的學生,和安德森是同門師兄弟。趙忠堯在1930年就觀察到了反物質湮滅,即前文狄克拉所提到的一個電子和一個正電子互相湮滅放出光子的過程。事實上,趙忠堯當年也在加工理工學院工作,而當趙忠堯實驗結果出來的時候,安德森就在他隔壁的辦公室里。

雖然科學是嚴謹而神聖的,但有時候,要想取得突破,不僅需要努力,有需要一點點上天眷顧的運氣。安德森發現正電子的事迹就是這一說法的最好證明。 威爾遜雲室:利用純凈的蒸氣絕熱膨脹,溫度降低達到過飽和狀態,這時帶電粒子射入,在經過的路徑產生離子,過飽和氣以離子為核心凝結成小液滴,從而顯示出粒子的徑跡,可通過照相拍攝下來。雲室中的氣體大多是空氣或氬氣,蒸氣大多是乙醇或甲醇。根據徑跡上小液滴的密度或徑跡的長度可測定粒子的速度;將雲室和磁場聯用,根據徑跡的曲率和彎曲方向可測量粒子的動量和電性,從而可確定粒子的性質。在歷史上,雲室對粒子物理起過重大作用,曾用它發現了e+、μ-、Κ+0和Λ、Ξ-等粒子。雲室是由威爾遜發明的,因此又名威爾遜雲室。其中e+即正電子。



安德魯發現正電子:努力和運氣的典範

作者寫於2016-05-10
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