安德鲁发现正电子:努力和运气的典范

1936年,瑞典首都斯德哥尔摩市,又到了一年一度颁发诺贝尔奖的时候,全世界在各个领域的杰出代表们汇聚一堂,涌入这个美丽而闻名的城市。对诺贝尔物理学奖获得者C.D.安德森来说,这次来瑞典有着比其他获奖者更多的感触。他虽然出生在美国纽约,但他的父母都是瑞典人,从某种意义上讲,这里就是他的故乡。因此,安德森比颁奖约定的时间更早就来到瑞典,四处游览一番,享受了一个难得的假期。

等到颁奖那天,会场上的氛围很和谐,人们互相致意。到颁发诺贝尔物理学奖的时候,主持人说完让获奖者上台。年轻的安德森整理了一下西服,清了清嗓子,健步走上去。就在他准备拿起奖杯的时候,主持人却说:“先生,请回去告诉你的父亲,得奖的人从来没有打发儿子来代领奖金的,基金会宁愿由银行汇给他本人,也不愿让他的儿子经手。”


安德

安德森先是一惊,随即释然,反问道:“先生,是谁告诉您说,得奖的是我父亲而不是我呢?”

这下轮到主持人吃惊了。他显然没有料到,得奖者竟然如此年轻。不过,这也不是他的错,因为安德森当年才31岁。而帮助安德森获得当年诺贝尔物理学奖的成就就是他发现了正电子。

安德森于1927年毕业于美国加州理工学院,取得了物理与工程学的双学位,1930年获得哲学博士学位,而后便留在学校,跟随其在物理学院的老师密立根(这也不是一个一般人物,他是基本电荷的测定者)一起研究宇宙射线。安德森早期的研究领域是X射线,他的博士论文研究了X射线使各种气体放出的光电子在空间的分布情况。另外,安德森还着手研究了宇宙射线粒子的能量分布以及高速电子在穿过不同物质时的能量损耗。这些都为他后来发现正电子做了准备和铺垫。

到了1932年,安德森跟老师密立根一起研究宇宙射线是电磁辐射还是粒子的问题。这是科学史上由来已久的一个模糊。在当时,以康普顿为首的一些科学家普遍认为宇宙射线是带电粒子。但密立根却并不同意,并为此事跟康普顿等人吵得不可开交。

那是8月份的第二天,晚上,师生二人一起去学校的食堂吃饭。安德森点了密立根最喜欢吃的饭菜,但后者却唉声叹气毫无食欲。安德森知道老师的烦心事,也不去挑破,但在心里暗暗下定决心,一定要找出证据,击破那些没有根基的理论。当天晚上吃完饭,两个人漫步在暑期的理工学院。学生都放假之后的校园获得了难得的安静,连天边的夕阳看起来也温柔了许多,把两个人的影子斜斜地织在地上。一阵阵晚风徐徐吹来,校园里茂盛的树叶就哗啦作响。

告别密立根老师,安德森并没有回到宿舍休息,而是跑到了实验室,开始研究实验。研究射线的威尔逊云室里烟雾弥漫,宛若人间仙境。安德森做了几个深呼吸,开始了今晚的工作。他让宇宙射线去撞击云室中的铅板,然后拍摄照片。等这些照片洗出来,他一张张翻看,突然有一张吸引了他的注意。这张照片显示,宇宙射线穿过铅板之后,轨迹发生了弯曲,有一个未知粒子的轨迹和电子的轨迹完全相同,但是弯曲的方向却恰好相反。换句话说,这种尚未查明的粒子与电子的质量相同,电荷相反。于是,安德森并认为这是一种带正电的电子。第二年,安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子,从而在实验上完全证实了正电子的存在。从此,正电子便正式被列入基本粒子的行列。

当时安德森并不知道,在1928年物理学家狄克拉就在他著名的狄克拉方程式中预言了正电子的存在。这一方程的解很特别,既包括正能态,也包括负能态。狄拉克由此做出了存在正电子的预言,认为正电子是电子的一个镜像,它们具有严格相同的质量,但是电荷符号相反。狄拉克根据这个图象,还预料存在着一个电子和一个正电子互相湮灭放出光子的过程;相反,这个过程的逆过程,就是两个光子湮灭产生出一个电子和一个正电子的过程也是可能存在的。而安德森在无意间幸运地发现了正电子的存在。

安德森的确是幸运的,因为在他之前,有两次差点跟诺贝尔物理学奖失之交臂。

首先,走在安德森前面发现正电子的是约里奥·居里夫妇,这两个人是著名科学家皮埃尔·居里夫妇的女婿与女儿。他们两个人首先观察到正电子的存在,但遗憾的是,这并未引起他们足够的重视,从而错过了这一伟大发现。这对居里夫妇虽然能力上并不亚于他们的父母,但是他们还真有点“马大哈”,因为他们不但错过了正电子的发现,还同样错过了中子的发现及核裂变的发现,以致于三次走到诺贝尔物理学奖的大门前而被拒之门外。三次啊,想想也是醉了。

另外一个差点从安德森手里抢走奖杯的人值得我们关注一下,因为这是一位中国科学家。他叫做赵忠尧,而且,有趣的是,他也是密立根的学生,和安德森是同门师兄弟。赵忠尧在1930年就观察到了反物质湮灭,即前文狄克拉所提到的一个电子和一个正电子互相湮灭放出光子的过程。事实上,赵忠尧当年也在加工理工学院工作,而当赵忠尧实验结果出来的时候,安德森就在他隔壁的办公室里。

虽然科学是严谨而神圣的,但有时候,要想取得突破,不仅需要努力,有需要一点点上天眷顾的运气。安德森发现正电子的事迹就是这一说法的最好证明。 威尔逊云室:利用纯净的蒸气绝热膨胀,温度降低达到过饱和状态,这时带电粒子射入,在经过的路径产生离子,过饱和气以离子为核心凝结成小液滴,从而显示出粒子的径迹,可通过照相拍摄下来。云室中的气体大多是空气或氩气,蒸气大多是乙醇或甲醇。根据径迹上小液滴的密度或径迹的长度可测定粒子的速度;将云室和磁场联用,根据径迹的曲率和弯曲方向可测量粒子的动量和电性,从而可确定粒子的性质。在历史上,云室对粒子物理起过重大作用,曾用它发现了e+、μ-、Κ+0和Λ、Ξ-等粒子。云室是由威尔逊发明的,因此又名威尔逊云室。其中e+即正电子。