14　真空中的洞

女士们，先生们：

今晚我希望各位格外用心，因为今天我们要讨论的问题特别困难，但同时也十分迷人。我想和大家聊聊一种名叫“正电子”的新粒子，它的特性非常奇妙。值得一提的是，早在这种新粒子真正被发现的几年前，科学家就从纯理论的角度预测了它的存在；而且我们之所以能找到这种粒子，很大程度上应该归功于科学家对其主要特性的理论预测。

做出这一预测的荣耀属于英国物理学家保罗·狄拉克，你应该听过他的名字。狄拉克基于理论推出的结果实在过于奇怪和异想天开，所以很长一段时间里，大部分物理学家拒绝相信这个结果。狄拉克理论的基本理念可以简单归纳成一句话：“空旷的空间中应该有洞。”我看到了，你们都很惊讶；呃，狄拉克第一次抛出这个惊世骇俗的观点时，全世界的物理学家也很惊讶。空旷的空间里怎么可能有洞？听起来简直毫无道理。但是，如果我们假设所谓的真空其实并不完全是空的，事实上，狄拉克理论的主要观点就包含了这个假设：所谓的空旷空间，或者说真空，实际上包含着大量排列得非常整齐的普通负电子。不用说，这个古老的假设绝不是狄拉克凭空幻想出来的，而是与普通负电子有关的某些理论或多或少地迫使他朝着这个方向思考。事实上，根据现有理论，我们必然得出一个结果：除了原子内部的运动量子态以外，纯粹的真空中也存在无数种特殊的“负量子态”；这样一来，除非有人能阻止电子奔向这些“更舒服的”运动状态，否则它们必然抛弃原子——我们可以这样说——融入真空。那么要阻止电子奔向更舒服的地方，唯一的方式是让其他电子（还记得泡利的理论吧）提前“占据”这些位置；考虑到这一点，我们必须相信，真空中的所有量子态必然已经被均匀分布的无数电子填满了。

我的话听起来可能有点儿像咒语，也许你们听得一头雾水，但这个话题真的很难，我只能希望，如果你专心听讲，那么到了最后，你对狄拉克的理论应该多少有些了解。

呃，无论如何，狄拉克得出结论，真空中充满了均匀分布、密度极高的电子。如果真是这样，我们为什么完全没有注意到这些电子的存在，反而以为真空是彻底空旷的空间呢？

将自己想象成深海里的一条鱼，你可能更容易理解这个问题的答案。如果深海鱼有足够的智力，它会意识到自己周围全都是水吗？

听到这段话，汤普金斯先生终于醒了过来——讲座刚开场他就已经睡着了。现在他似乎成了一名渔夫，他感觉到了海边清新的微风和蓝色海浪温柔的起伏。不过，尽管汤普金斯先生是个游泳高手，但他也没法停留在海面上；他的身体开始越来越深地沉向海底。奇怪的是，他完全感觉不到缺氧，也没有任何不适。也许这是某种特殊的返祖变异，他暗自想道。

古生物学家说，生命起源于海洋；鱼类中最早踏上陆地的先行者是所谓的肺鱼，它们爬上海滩，用鳍行走。生物学家认为，这些最早的肺鱼——包括澳大利亚的“昆士兰肺鱼”，非洲的“非洲肺鱼”和南美洲的“美洲肺鱼”——慢慢进化成了老鼠、猫和人类这样的陆生动物。不过，历经了陆地生活的无数艰辛以后，也有一些动物——例如鲸和海豚——选择回归大海。它们保留了在陆地上辛苦习得的部分特性，也保留了哺乳的习性，雌性的水生哺乳动物在自己体内孕育幼崽，而不是直接在水中产卵，然后再由雄性授精。匈牙利著名科学家利奥·西拉德^[8]（Leo Szilard）甚至说过，海豚比人类还要聪明。

海洋深处传来的谈话声打断了他的思绪，说话的是一头海豚和一名典型的人类，汤普金斯先生一眼就认了出来（他见过这位先生的照片），这个人正是剑桥大学的物理学家保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克。

“你看，保罗，”海豚说道，“你认为我们周围的空间不是真空，而是一种由负质量粒子组成的介质。要我来说的话，水和真空本质上没有区别；它十分均匀，而且我可以在水中自由自在地游动，想去哪个方向都行。但我听过远古的祖先留下的古老传说，陆地上的情况和我们这儿完全不一样，那里有难以翻越的山脉和峡谷，可是在水里，我想朝哪儿游就朝哪儿游。”

“关于海里的情况，你说的一点儿都没错，我的朋友，”狄拉克答道，“水会对你的身体表面产生摩擦力，如果你的尾巴和鳍都完全不动的话，你就只能停留在原地。除此以外，由于水的压强会随深度而变化，所以你可以通过控制身体的膨胀和收缩实现上浮和下沉。但是，如果海水既没有摩擦力，也没有压强差，那你就会变得像火箭燃料耗尽的宇航员一样无助。我的海洋由质量为负的电子组成，它完全没有摩擦力，因此也不能被观察到。除非这片海洋中的某个电子不见了，我们的物理设备才能发现相应的痕迹，因为负电荷的缺失等同于正电荷的存在，这样的异常就连库仑都能觉察到。

“要用普通的海洋类比我的电子海洋，为了避免产生误会，首先我们必须做一个重要的例外声明。重点在于，由于我的海洋里的电子遵循泡利的不相容原理，所以当所有可能的量子态都被占据时，这片拥挤的海洋里连一个额外的电子都挤不进来。多余的电子只能停留在海面上方，实验者可以轻松发现它的行踪。J. J.汤姆孙（J. J. Thomson）爵士首次发现的电子、绕着原子核旋转的电子和真空管里飞行的电子都是这样的多余电子。在我1930年发表第一篇论文之前，人们一直认为，除了我们能观察到的这些东西以外，空间中空无一物；大家普遍相信，物理现实只是偶尔浮现在零能量海面之上的浪花。”

“可是，”海豚说道，“如果你的海洋完全无法观察，因为它没有摩擦力，而且均匀连续，那么讨论它又有什么意义呢？”

“这个嘛，”狄拉克回答，“假设某种外来的力量将某个负质量电子从海洋深处捞出了海面，在这种情况下，我们能观察到的电子数量会增加一个，这显然违反了守恒定律。但是，随着这个电子的离开，我的海里会出现一个可观察的洞，因为原本均匀分布的负电荷少了一个，这可以视为多了一个电量相等的正电荷。这个带正电的粒子质量也应该为正，它将顺着重力方向运动。”

“你是说，它会向上浮向海面，而不是沉向海底？”海豚惊讶地问道。

“当然，我相信你见过很多被重力拉得下沉的东西：譬如船上扔下来的物品，甚至船只本身。不过你瞧！”狄拉克骤然打断了自己的话，“看到那些升向海面的银色小家伙了吗？它们在重力作用下运动，但运动的方向却和重力相反。”

“但那只是气泡而已。”海豚反驳说，“可能是某件包含空气的东西翻了过来，或者在海底的石头上撞碎了，所以这些气泡才会被释放出来。”

“你说得对，但你在真空中不可能看到上升的气泡，因此我的海洋绝不是空的。”

“真是一套巧妙的理论，”海豚赞道，“但世界真是这样的吗？”

“1930年，我第一次提出这套理论的时候，”狄拉克回答，“没有人相信它。这很大程度上应该归咎于我，因为最初我提出的观点是，这些带正电的粒子不是别的，正是实验者熟悉的质子。当然，你肯定知道，质子的重量是电子的1840倍，但当时我希望通过数学方法弄清楚，给定大小的力作用于这些‘气泡’的时候为何会遭遇额外的加速阻力，从而为1840这个倍数找到合理的解释。但我的努力没能成功，计算结果表明，我的海洋里的气泡质量和普通的电子完全相等。当时我的同行泡利——他是个很有幽默感的人——正在四处推广他所谓的‘泡利第二原理’。你看，失去了一个电子以后，我的海洋里会留下一个洞；根据泡利的计算，普通电子只要靠近这个洞就会立即将它填满。按照同样的逻辑，如果氢原子内的质子实际上是一个‘洞’，那它必然在极短的时间内被绕核旋转的普通电子填满，两个粒子会同时消失，只留下一道强光——或者我应该说，一道强烈的γ射线。当然，其他所有元素的原子也将遭遇同样的悲剧。现在，根据泡利第二原理，物理学家提出的任何理论必然立即作用于组成他自身身体的物质，所以，我根本没机会向任何人阐述自己的想法，因为在此之前我早就湮灭了。就像这样！”伴随着一道炫目的辐射，狄拉克骤然消失了。

“先生，”一个声音在汤普金斯先生耳边严厉地说，“想在课堂上睡觉，这是你的自由，但你不该打鼾。教授说的话我简直一个字都听不见。”

汤普金斯先生睁开眼睛，拥挤的礼堂和讲台上的老教授再次映入他的眼帘，教授还在滔滔不绝地讲课：

现在我们来看看，如果某个四处游荡的洞遇上了一个想在狄拉克之海中找个安乐窝的多余电子，那会发生什么。显然，这样的遭遇必然导致多余电子掉进洞里将它填满，于是物理学家惊讶地观察到了正电子和负电子的互相湮灭。这个过程产生的能量将以短波辐射的形式向外释放，正负电子互相吞噬，就像那个著名童话里的两头狼一样，这道辐射是它们在这个世界上留下的唯一印记。

除此以外，我们还可以想象另一个相反的过程：强烈的外部辐射“凭空制造”出一对电子，其中一个携带的电荷为正，另一个为负。根据狄拉克的理论，这个过程实际上是从连续分布的电子海洋中“敲”出了一个电子，所以这并不是什么凭空创造，而是将两个电性相反的粒子分离开来。现在请看这幅示意图，它抽象地描绘了电子对的“创造”和“湮灭”；你可以看到，这个过程并不神秘。在此我必须补充一下，虽然严格说来，创造电子对的过程的确有可能发生在绝对的真空中，但实际上，这种情况出现的概率很低；你可以这样理解，真空中的电子分布得过于均匀，很难被破坏，但从另一方面来说，物质的重粒子能为γ射线提供支点，帮助它破坏电子的均匀分布，所以我们更容易在重粒子周围观察到“创造”电子对的过程。

不过，显然，通过这种方法创造出来的正电子不可能存在太长时间，因为负电子充斥着宇宙的每个角落，所以正电子很快就会遇到一个电性相反的同类，然后双双湮灭。正是出于这个原因，物理学家直到最近才找到了这种有趣的粒子。事实上，直到1932年8月（狄拉克的理论发表于1930年），加州物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）才在研究宇宙射线的时候发现了一种新的粒子，它的性质与普通电子几乎完全相同，只有一个重要的区别：新粒子携带的电荷不是负的，而是正的。此后不久，我们就掌握了一种在实验室条件下制造电子对的简单方法：只需要让一束强大的高频辐射（例如放射性的γ射线）穿过任意物质材料就好。

在我的下一张幻灯片中，你将看到物理学家通过所谓的“云室”为宇宙射线中的正电子拍下的照片，以及电子对的创造过程。不过在此之前，我必须解释一下这些照片的拍摄过程。云室，或者说威尔逊云室，是现代实验物理学界最实用的设备之一；任何带电粒子在穿过气体时必然沿着运动轨迹产生大量离子，云室正是基于这一原理制造出来的。如果气体中充满饱和水蒸气，那么这些离子将凝结水汽，形成微小的液滴，最终你将看到一缕代表粒子运动轨迹的薄雾。用强光照亮黑色背景上的雾带，我们就能拍到代表粒子运动过程的完美照片。

现在屏幕上的前两张图片就是安德森为宇宙射线中的正电子拍摄的最早照片；顺便说一下，这也是科学家用镜头捕捉到的第一个正电子。横贯照片的水平宽条带实际上是科学家放在云室中央的一块厚铅板，铅板上方那条纤细的弧线就是正电子的运动轨迹。它之所以是弯的，是因为做实验的时候，科学家将云室放在强磁场中，粒子的运动也因此受到了影响。实验者引入磁场和铅板是为了确定粒子携带的电荷属性，我们可以通过下面的推理完成这一重要判断：我们知道，不同电性的粒子在磁场中偏转的方向各不相同。在这个实验中，科学家将磁铁放在一个特殊的位置，这样一来，磁场中的负电子必然沿着原来的运动方向向左偏转，而正电子只能向右偏转。因此，如果照片中的粒子是向上运动的，那么它携带的可能是负电荷。但我们又该怎么判断它的运动方向呢？这时候就轮到铅板出场了。穿过铅板的粒子会损失一部分初始能量，因此磁场带来的偏转效应必然变得更加明显。通过这张照片我们可以看到，铅板下方的粒子轨迹偏转得更厉害（乍看之下可能很难分辨，但以铅板为参照物，你依然能看出轨迹前后半段的区别）。所以我们得出结论：这个粒子正在向下运动，因此它携带正电荷。

另一张照片的拍摄者是剑桥大学的詹姆斯·查德威克（James Chadwick），他让我们直观地看到了云室中电子对的创造过程。一道强烈的γ射线从下方射入（我们在照片中看不到它的运动轨迹），在云室中央制造出一对电子；在强磁场的影响下，这两个粒子朝相反方向飞出。看到这张照片，你或许会问，这个正电子（左）穿过气体时为什么没有湮灭。这个问题的答案也藏在狄拉克的理论中，爱打高尔夫球的人应该很容易理解：如果你击球的力度太大，那么就算你瞄得很准，球也不太可能直接滚进洞里。同样地，高速运动的电子不会掉进狄拉克的洞里，除非它的速度减慢了很多。因此，刚刚诞生的正电子速度太快，不太可能发生湮灭；只有在运动过程中经历了多次碰撞减速以后，它才会走向毁灭的命运。此外，仔细观察之下，你不难发现，湮灭产生的辐射实际上代表着正电子运动轨迹的终点。这个事实进一步验证了狄拉克的理论。

现在，我们要讨论的重点还剩下两个。首先，我一直说狄拉克之海里充满了负电子，正电子是这片海洋里的洞。不过你也可以反过来说，正电子才是这片海洋里的水，负电子是洞。要完成这样的反转，我们只需要假设狄拉克之海不是满得溢了出来，而是一直处于粒子短缺的状态中。在这种情况下，我们可以将狄拉克之海形象地比作一块多孔的瑞士奶酪。由于长期缺少粒子，这些洞必然一直存在。就算某个粒子被敲了出去，要不了多久它就会再次掉回洞里。尽管如此，我们还是可以说，无论从物理学还是数学的角度来看，这两种情形其实完全相同，所以你选哪种都一样。

第二个重点可以归结为一个问题：“既然在我们生活的这个世界里，负电子的数量占据了绝对的优势，那么我们是否可以假设，宇宙中存在另一片充满正电子的区域？”换句话说，我们的狄拉克之海中这些多余的粒子是不是从别的地方跑过来的？

这个问题很有趣，也很难回答。事实上，由正电子围绕带负电子的原子核构成的“反原子”看起来应该和普通原子完全相同，所以我们无法通过光谱观察的方法解决这个问题。据我们所知，大仙女座星云中的物质很可能由这种反粒子构成，但要验证这个猜想，唯一的办法就是从那片星云中采集样品，让它接触地球物质，观察二者是否发生湮灭。当然，这场爆炸的威力肯定非常惊人！近来有人传说，闯入地球大气的某些陨石由反物质构成，但我觉得这样的流言不足为信。事实上，宇宙中不同区域的狄拉克之海是否各有盈亏，这个问题我们可能永远找不到答案。

[8]利奥·西拉德，《海豚之轭及其他故事》，西蒙与舒斯特出版公司，纽约，1961年——原注