第14章 真空中的洞穴
女士们、先生们：
今晚，希望您特别注意我要讲的内容，因为我们要讨论的问题既困难又引人入胜。我将讲到一种新的电子——“正电子”，它具有许多不可思议的特性。我们应该留意的是，这种新粒子早在其被探测到的好几年前，就已经有人用纯粹的理论推测加以预言了。另外，由于人们已从理论上预见到它的一些主要性质，这对于从实验上发现它也有巨大的帮助。
做出这一伟大预测的人是英国物理学家保罗·狄拉克，您已经听说过他的名字。他基于理论推断得出的结论过于怪异和惊奇，以至于大多数物理学家都在很长一段时间内拒绝相信。狄拉克理论的基本思想可以用这样一句简单的话来表达：“在真空处应该有孔。”我知道你很惊讶，而所有物理学家的反应和你们一样。在真空处怎么可能有孔？这有意义吗？是的，如果有人推测所谓的真空实际上并不像我们认为的那么空，这就有可能。而且，事实上，狄拉克理论的要点在于所谓的真空空间实际上是由无限数量的普通负电子以非常规则和统一的方式堆积在一起的。不用说，这种古老的假设并没有得出狄拉克纯粹是在幻想的结论，但他或多或少地被迫这么做，出于许多有关普通负电子理论的考虑。实际上，该理论不可避免地得出这样一个结论，即除了原子运动的量子态外，还有无限个特殊的“负量子态”属于纯真空，除非有人阻止电子进入这些“更舒适的”运动态，否则，它们都将放弃自己的原子，并且可以说将被溶解为空白空间。此外，防止电子随心所欲运动的唯一途径，就是让这个特定的点被其他电子所“占据”，它必须在真空中具有所有这些量子态，而真空被均匀分布的无限电子所充满。
恐怕我的话听起来像是某种科学咒语，让您毫无头绪。但是这个话题确实非常难，我只希望如果您继续专心地听，最终能够理解一些关于狄拉克理论的本质。
不管怎样，狄拉克最后得出了这样的结论：真空中充满了电子，以均匀但无限高的密度分布。我们怎么会根本不注意它们，而将真空视为一个空无一物的空间？
如果您将自己想象成一条悬浮在海洋中的深水鱼，可能就会明白这个答案。这条鱼即使聪明到足以提出这样一个问题，会意识到它正被水所包围吗？
这些话使汤普金斯先生从课堂刚开始的瞌睡中清醒了过来。他有点像渔夫，感到微风轻拂海面，碧涛起起伏伏。虽然他游泳还不错，却无法停留在海面上，并开始向深处沉下去。奇怪的是，他没有空气不足的感觉，而是感到很舒服。他想，也许这是特殊隐性突变的结果。
根据古生物学家的说法，生命起源于海洋，最早走向干旱陆地的先驱是所谓的肺鱼，它爬到海滩上，靠鳍行走。根据生物学家的说法，这第一批肺鱼在澳大利亚被称为澳洲肺鱼，在非洲被称为原鳍鱼，在南美被称为南美肺鱼。它们逐渐演变成陆生动物，就像老鼠、猫和人。但是其中一些如鲸鱼和海豚，在发现陆地生活中的困难后，又回到了海洋。在水里，它们保留了在陆地斗争过程中获得的品质，并仍然是哺乳动物。雌性在体内怀胎，而不是只甩出鱼子，再由雄性授精。匈牙利著名科学家西拉德不是说过海豚比人类更聪明吗？
狄拉克正在与海豚专心对话
他的思想被海洋深处的某段谈话打断了，在说话的是一只海豚和一个典型的智人。汤普金斯先生曾在照片上见过这个人，他是剑桥大学的物理学家狄拉克。
“听着，保罗，”海豚说，“你认为我们不在真空中，而是在由负质量粒子形成的介质中。我认为水和真空没有任何差别，它很均匀，我可以在各个方向上任意游动。但我从我的祖祖祖先那里听到一个传说，就是陆地与水里非常不同。那里有很多高山和峡谷，必须费很大力气越过它们。而在水里，我可以自由自在地游动。”
狄拉克回答：“我的朋友，在海水里你是正确的。水在身体表面产生摩擦，如果不移动尾巴和鳍，将完全无法移动。另外，因为水压会随着深度变化，你可以通过扩大或收缩身体来向上浮动或向下沉。但是，如果水没有摩擦并且没有压力梯度，那么你会像火箭燃料用完的宇航员一样无奈。我的海洋是由带负质量的电子形成的，完全没有摩擦，因此不可观察。只有缺少一个电子的情况才能用物理仪器观察，因为缺了一个负电荷等效于多了一个正电荷，甚至库仑也可以注意到它。
“在比较我的电子海洋和普通海洋时，我们必须注意到一个重要的例外，才不至于过度延伸这个类比关系。关键在于，既然形成我的海洋电子必须遵守泡利原理，当所有可能的量子能级都被占满的时候，就无法再往海里添加哪怕一个电子了。这样就会有一个多余的电子停留在我的海洋表面上，很容易通过实验识别出来。电子最早是由汤普森发现的，不管是围绕原子核盘旋的电子，还是通过真空管飞行的电子，都是这种多余的电子。直到我在1930年发表了第一篇论文之前，我们之外的空间一直被认为是空无一物的。人们认为，物理现实仅属于偶尔飞溅到零能量表面之上的水花。”
“但是，”海豚说，“如果由于海洋的连续性和无摩擦而无法观察到你的海洋，那谈论它又有什么意义呢？”
狄拉克说：“假设某些外力将其中一个带负质量的电子从海洋的深处举起到海平面以上，在这种情况下，可观察到的电子数就增加了一个，这被认为是违反守恒定律的。不过，由于这个电子的离开，海洋中现在形成了一个可观察到的空洞。因为在均匀的分布中缺少一个负电荷将被视为存在等量的正电荷。这个带正电的粒子也将具有正质量，并且将沿着与重力相同的方向移动。”
“你是说它会漂浮而不是下沉？”海豚惊喜地问道。
“当然，我确定你已经看到过许多物体被重力拉到海底，比如从船上扔下来的东西，有时候甚至是船本身。但请看这里！”他打断自己说道，“看见这些升到水面的小银色物体了吗？它们的运动是由引力造成的，但却朝相反的方向移动。”
“但那只是气泡，”海豚反驳说，“他们可能逃脱了某些含有空气的东西，这些东西已经翻转或破裂，撞到了海底的岩石上。”
“正是，但你不会看到气泡在真空中飘浮。因此，我的海洋并非空无一物。”
“非常聪明的理论，”海豚说，“但这是真的吗？”狄拉克说：“当我在1930年提出这个理论时，没人相信。这在很大程度上是我自己的错误，因为我最初认为这些带正电的粒子无非是质子，这是实验家众所周知的。当然，你知道质子比电子重1840倍，但我希望通过一些数学方法解释在给定力的作用下增加的阻力和速度，并从理论上得出1840这个数字。但我没有成功，而且我海洋中的气泡的物质质量将变得与普通电子的质量完全相同。我的同事泡利，我必须说他是一个很有幽默感的人，四处宣称他所谓的“泡利第二定律”。他计算得出，如果一个普通电子接近从我的海洋中移出电子而产生的孔，它将在极短的时间内将其填满。因此，如果一个氢原子的质子真的是一个“孔”，它会被围绕它旋转的普通电子瞬间填充，并且两个粒子都会在一道闪光中消失，准确地说，是伽马射线的闪光。当然，所有其他元素的原子也会发生同样的情况。现在，如果第二保利定律要求物理学家提出的任何理论必须用于自己的血肉之躯，我在有机会将自己的想法告诉别人之前就被毁灭了。就像这样！”说着狄拉克消失在一道炫目的闪光中。
“先生，”一个怒气冲冲的声音在汤普金斯先生的耳边响起，“你有权在课堂上打瞌睡，但你不应该打鼾，我根本听不到教授在说什么。”
然后，汤普金斯先生睁开眼睛，再次看到了拥挤的教室和老教授，他继续讲道：
现在，当行进的空穴遇到正在狄拉克海洋中寻找舒适地方的多余电子时，让我们看看会发生什么。显然，这种相遇的结果是，多余的电子将不可避免地掉入空穴并将之填充，而观察该过程的物理学家在惊讶之余将把这个现象叫作正负电子的相互湮灭。这个过程释放出的能量将会以短波辐射的形式发出，代表着两个电子相互吞噬后仅剩的部分，就像著名儿童故事中的两只狼一样。
但也可以想象一个反向过程，即一对负电子和正电子是通过强大的外部辐射“从无到有”产生的。从狄拉克的理论来看，这样的过程只是简单地从连续分布中剔除一个电子，实际上不应该被认为是一种“创造”，而是两个相反电荷的分离。在我现在展示的图中，这两个电子“创造”和“湮灭”的过程以非常粗糙的示意图表示出来，可以看出此事没有任何神秘之处。我必须补充的是，尽管严格来说，正负电子对的产生可能会在绝对真空中进行，其可能性也极小；你可能会说真空中的电子分布过于平滑，无法打破。另外，在重粒子的存在下，它们充当了伽马射线深入电子分布的支撑点，正负电子对产生的可能性大大提高，并且很容易观察到。
但是很明显，以上述方式创建的正电子将不会存在太久，很快就会在与一个负电子的相遇中被湮灭，而负电子在我们宇宙的一角拥有巨大的数量优势。这个事实使我们相对较晚地发现了这些有趣的粒子。实际上，关于正电子的第一份报告仅在1932年8月写出（狄拉克的理论于1930年发表）。在他的宇宙辐射研究中，发现了在各个方面都与普通电子相似的粒子，唯一重要的区别是它带有负电荷，而不是正电荷。此后不久，我们学会了一种简单的方法来产生电子对，即通过在实验室条件下通过发送强大的高频辐射束（放射性伽马射线）轰击任何种类的物质。
在下一页上，您将看到宇宙射线正电子的所谓“云室照片”，以及电子对产生的过程本身。但是在这样做之前，我必须解释一下获得这些照片的方法。云室或威尔逊室是现代实验物理学中最有用的工具之一，它基于以下事实：任何通过气体的带电粒子都会沿其轨迹产生大量离子。如果气体中充满了水蒸气，那么小水滴就会凝结在这些离子上，从而形成沿整个轨道延伸的薄雾层。在黑暗的背景上用强光束照亮这个雾蒙蒙的带状物，我们可以获得完美的照片，显示了运动的所有细节。
现在投影在屏幕上的两张图片中，第一张是安德森拍摄的宇宙射线正电子原始照片，并且顺便说一下，这是该粒子第一次被拍摄到。穿过照片的宽水平带是横跨暗室放置的厚铅板，而正电子的轨迹被视为穿过该板的细弯曲刮痕。这个轨迹是弯曲的，因为在实验的过程中，云室被置于强磁场中，影响了粒子的运动。铅板和磁场用于确定粒子携带的电荷符号，可以根据以下论点来完成。众所周知，磁场产生的轨迹偏转取决于运动粒子带电的符号。在这种特殊情况下，磁体的放置方式应使负电子向其原始运动方向的左侧偏转，而正电子将向右偏转。因此，如果照片中的粒子向上移动，可能带有负电荷。但该如何判断移动的方向呢？那就是铅板进来的地方。穿过铅板后，粒子一定失去了部分原始能量，因此磁场的弯曲作用会更大。在当前照片中，轨道在铅板下面弯曲得更强烈（乍看几乎看不到，但在铅板测量中显示出来了）。因此，粒子向下移动，其电荷为正。
另一张照片由剑桥大学的詹姆斯·查德威克拍摄，展示了在云室的空气中产生电子对的过程。一道强烈的伽马射线从下方进入，在照片中没有产生可见的轨迹。它在暗室中间产生了一对电子，并且两个粒子正相互分离，在强磁场的作用下向相反的方向偏转。看着这张照片，您可能想知道为什么正电子（位于左侧）在通过气体的过程中并未被湮灭。狄拉克的理论也给出了这个问题的答案，并且打高尔夫球的人都会很容易理解。如果在果岭推杆时，太用力击球，即使目标准确，它也不会掉入洞中。实际上，快速移动的球只会在洞上弹起并向前滚动。同样，快速移动的电子要等到速度大大降低后才会落入狄拉克的孔中。因此，当正电子沿轨道碰撞而减速时，更有可能在其轨迹的尽头湮灭。实际上，仔细观察会发现，伴随湮灭过程的辐射实际上存在于正电子轨迹的末端。这进一步证实了狄拉克的理论。
现在仍然有两个要点需要讨论：第一个要点是我一直将负电子称为狄拉克海洋的溢出物，而将正电子称为其中的空穴。然而，人们可以反过来想，将普通电子视为空穴，从而使正电子具有抛出粒子的作用。为此，我们仅需假设狄拉克的海洋没有溢出，而是相反，它的粒子始终是不足的。在这种情况下，我们可以将狄拉克的分布形象化，就像一块瑞士奶酪，上面有很多孔。由于普遍缺乏粒子，空洞将永远存在。如果其中一个粒子从分布中被拿出，很快就会再次落入其中一个洞中。但应该说明的是，无论从物理还是数学角度来看，这两张照片都是绝对等效的，无论我们选择哪一张都没有影响。
第二个要点可以用以下问题表示：如果在我们所生活的世界中，负电子的数量有明显的优势，我们是否可以假设在宇宙的其他部分中这是相反的？换句话说，在我们的世界中，狄拉克海洋的溢出是否会因其他地方缺少这些粒子而得到补偿？
这个极其有趣的问题其实很难回答。实际上，由于由围绕负原子核旋转的正电子所建立的原子将具有与普通原子完全相同的光学特性，因此无法通过任何光谱观察来解决这个问题。就我们所知，很有可能物质的形成就是通过这种混乱的方式，比如大仙女座星云。但是证明它的唯一方法是握住一块那样的物质，看看它是否因与地面物质接触而湮灭。当然，这会导致一场可怕的爆炸！最近有一些讨论是关于陨石在地面大气中爆炸的现象，这会不会是因为这些陨石正由这种混乱的物质所组成呢？但我却对这种观点不以为然。实际上，这个关于狄拉克的海洋在宇宙不同部分溢出和干涸的问题可能永远得不到解答。