【物理史上的八月】1932 年 8 月：正電子的發現
1932 年 8 月：正電子的發現
文｜蕭如珀、楊信男（臺灣大學物理學系）（譯自 APS News，2004 年 8 月）
《星際奇航》（Star Trek）的創作者羅登貝瑞（Gene Roddenberry）結合大量真實的科學於其虛構科幻影視系列中，是史上最成功的影集之一，其中有一個物質／反物質引擎，可以啟動「企業號」，使其虛擬的航速比光速還快。
1928 年，英國的物理學家狄拉克（Paul Dirac）由愛因斯坦的相對論推論說，宇宙中的每一粒子皆有一相對應的反粒子，其質量相同，但帶著相反的電荷，形同一組孿生子。
於是，科學家競相尋找此假設的實驗證據，最後由加州理工學院的博士後研究員安德森（Carl D. Anderson）勝出。
安德森於 1905 年誕生在紐約，父母是瑞典人（譯者按：原文誤為瑞士人），當他 7 歲時，舉家遷往洛杉磯，不久父母離異。因此，安德森很早即需幫忙負擔家計，但仍得以進入加州理工學院接受大學教育。起先他想攻讀電機工程，但在上過一門特別有啟發性的物理課程後，他決定改讀物理。最後他在加州理工學院獲得物理工程學（即為現在的應用物理學）的博士學位。
安德森大半的研究生涯都在加州理工學院度過，他早期研究 X 光，但因赫斯（Victor Hess）於 1930 年發現宇宙線，安德森即在他的恩師密立根（Robert A. Millikan）的建議下，轉而研究高能的粒子。大多數的科學家做宇宙線的研究都會使用「雲霧室」，那是一個短的圓柱，兩端由玻璃板組成，內部則是水蒸氣氣體。當帶電的離子通過雲霧室時，會留下水滴的痕跡，可經由攝影呈現出來。透過測量水滴的密度，科學家可據以推測電荷產生的游離量，進而得知通過的粒子種類。
經過改良後，安德森建造了他自己的雲霧室，裏面還裝上一活塞，可以讓壓力急速降低。此外，他將室內的水氣混合酒精，如此攝影的效果比同行們的要好很多。他再將雲霧室繞上一個大電磁鐵，可以使得電離子的軌跡呈現圓弧形；再量出軌跡的曲率（或半徑），就可算出粒子的動量而測出其所帶的電荷量。
安德森所得到的攝影結果讓他大吃一驚，因為它顯示出宇宙線產生大量帶正、負電荷的粒子，而其中帶正電荷的粒子並非如大家所預期的是質子。因為如果真是質子，而它又帶有由其軌跡的半徑所算出的動量（或速度）的話，那麼它在停止之前所走的距離應該要比實際看到的短很多。
安德森和密立根因此推測，那些帶正電荷的粒子可能是朝反方向運動的電子。
為了測試他們的假設，安德森就在雲霧室裏放了一塊鉛板，當粒子通過鉛板時，會從另一端出來，所帶的能量比通過前少，因此可推測出其行進的方向。
1932 年 8 月，安德森將雲霧室裏帶正電荷的電子（現在已知為正電子）通過鉛塊的歷史性照片記錄下來，確定它是朝上行進帶正電荷的粒子。
雖然一開始科學界對此假設出現了質疑的聲浪，可是安德森所得到的結果在第二年就得到了證實。科學家證實了正電子是伽瑪射線轉變成物質時，所產生的一組帶正電荷與負電荷電子中的一個。
安德森於 1932 年在雲霧室中所攝得的宇宙線，第一次顯示出反電子的存在。圖中可見粒子從下面進入，通過中間的鉛版，繼續往上行進，上面的軌道曲率較大(半徑較小)，表示它損失能量後，速度變慢了。
此發現讓安德森於 1936 年與赫斯分享諾貝爾物理獎，當時他年僅 31 歲，是史上最年輕的獲獎者之一1。反質子——帶負電而非平常帶正電的質子，於 1955 年為柏克萊加州大學的研究員所發現；隔年發現反中子；但卻在 30 年後，科學家才創造出第一個反氫原子。
1995 年，位於日內瓦的歐洲實驗高能物理研究中心（CERN）的研究員利用低能反質子環（Low Energy Antiproton Ring，LEAR）使反質子減速，而非加速，這樣可以將正電子和反質子配對在一起，產生9個反氫原子，每個僅持續十億分之 40（40×10-9）秒。
之後的 3 年間，CERN的研究團隊每小時最多可以產生 2,000 個反氫原子。
這樣仍無法達到可實際應用所需的反物質推進劑。要到達星際的目的地需要好多噸的反質子，而 CERN 的設備一年所生產的反質子僅夠 100 瓦的電燈亮 3 秒，且這還尚未考慮到生產反質子時供應高強度粒子束所需的巨大能量。
然而，2000 年時，NASA 的科學家卻宣稱，他們早期的反物質引擎設計可能可以將太空船送上火星，所需的燃料只要使用百萬分之 1 克的反物質。
如今，正電子已經發現了一個有用的用途——正子斷層掃瞄（PET）。這個醫學造影技術是在病人體內注入放射性原子核，再觀察它衰變時所釋出的正電子，與人體器官內的電子在低能時的湮滅所產生的伽瑪射線，以建造出腦內部功能的影像。這樣產生的能量並不足以形成最輕的粒子與其反物質，只會顯示出兩條伽瑪射線。
註1： 史上最年輕的諾貝爾物理獎得主為英國物理學家威廉．勞倫斯．布拉格（William Lawrence Bragg），他於1915 年和他的父親威廉．亨利．布拉格（William Henry Bragg）同獲諾貝爾獎，時年僅 25 歲。安德森於1936 年 12 月獲獎時，年 31 歲 3 個月，李政道於 1957 年 12 月 12 日獲得諾貝爾物理獎時，年 31 歲又 18 天。