【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(Carl D. Anderson)|From Wikimedia Commons

 

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。

Photo Credit: Carl D. Anderson, Physical Review Vol.43, p491 (1933)

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。

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