反粒子和反物質概念的形成和發(fā)展_田浩_圖文

1、 四 、 實驗 的決定 性 作用 。 狄 拉克 以 電 子 和 質 子 的 理 論 為 名 發(fā) 表 了 他 的 論 文 用 正 常 電子 和 無 窮 大 負能 電 子 海 的相 互作 用 來解 釋 , 盡 管他 設 想 電 子 和 質 子 的 質 量 差 可 以 , 但 是 由于 硬 把 質 子 當作 正 電子 。 這個 理 “ 論 當 然 是 有不 可 克 服的 矛 盾 的 即 遭 到 別 的 物理 學 家的 反 對 種差 別 。 。 文 章 發(fā) 表 不 久 就 遭 到 不 少 人 的反 對 , 狄 拉克 回 憶 道 : 我立 , , 理 由是 新粒 子 · 即空穴 e r , 的

2、 質 量 和 一般 電子 的 質量 不 可 能有 這 Wel y , 反對 最 堅 決 的 人 是 赫爾 曼 , , 維耳 (H m n a 。 。 他 實 際 上 是 一 位 數(shù) 學家 , 他 不 太 擔 乙物理 實 際 而完 全 為 數(shù) 學 的 對 稱性 所 左 右 我 后 來 同意 了 這 個 觀 點 . . 他 很 斷 然 地說 ” 這些 空 穴 所 構成 的 新 粒 子 的 質 量 應 該 和 電子 相 同 子 和 質 子 的 理論 他指 出 : 口 41 e r 著名 的 美國 物理 學 家 奧 本 海 默 (J R 0 PPe n e l i m 在 他 1 9 3 。 年發(fā) 表

3、 的 文 章 關 于 電 。 一文 中 , , 證明 了把 空穴 假設 成 質 子 是 站 不 住 腳 的 , , “ 首先 我 們不 難 看 出 : 狄拉 克 的 理 論 要 求 有 一個 無 窮大的 正 電 荷密 度 , , 而且 。 因 為 我 們 要把 此 電 荷 的德 布 羅 依 波 量 子 化 論 需 要 有 一 個 無 窮 大 電荷 的 原因 是 所 以 我 們 應 該指 望 此 正 電荷 具 有 某 種 粒 子 性 , 理 電 子 散 射 的 解 釋 要 能 站得住 腳 一 個 負 電 子 就 應該按 照 狄 拉 克 電子 理 論 所 預 期 的 方 式 和 電磁 場相 互 作

4、 用 式 量 。 。 否則 他 所 提 出 的 圖 畫 就給 不 出湯 姆 孫 公 , 但 是這 意 味 著在 物 質 和 輻射 的 總 能量 動 量 張量 里 應 該有 一 項 包 含 負 電子 的 電流 和 電荷 矢 4 , p v 于是 根 據 d i 除 非 和一 個 無 窮 大的 正 電 荷 密度 抵償 負 電 子 否 則 電場 的 散 度 浪 。 , 在 各 處 都 將是 無 窮 大 而且 , ” 5 l 1 , 如果 狄拉 克 的空 穴 是 質 子 。 那 么 質 子 對 光 的 散 射 就 要 用 一 個 包 含 正常 電子 和 空 穴 。 的 相 互 作 用 的過 程 來解

5、釋 因此 , 表明 散射 如 何 依 賴于 質 子 質量 的公 式就 不 對 了 , 正確的 散 射 公 式 要 求 散射 反 比 于散 射 粒子 的 質 量 平方 而 變 關系 。 而空 穴 理論 卻給 出 了 不 同 的 依 賴于 質量 的 , 最后 能 有 質子 , 奧本 海默 指 出 , , 如果 狄 拉 克 的負 能 電子 海 的 空 穴 是 質 子 。 那 么 自 然 界 里 就 既不 可 , 又 不 可 能 有 電子 存 在 , 這個 理 論 表 明 , 如果 出 現(xiàn) 某 個 空 穴 。 、 其鄰 近 的 電子 就 有 著 , 有限 的可 能 性躍 入 這 個空 穴 并 在 填

6、滿 這 個 空 穴 的 同 時 自行 消 滅 。 奧本 海默 從 而建 議把 電 子 和 質 子仍 然 看成 兩 個 符號 相 反 狄 拉 克的 負 能態(tài) 看 作 是被 充 滿 的 正常 能量 狀 態(tài)躍 人 負能 量 狀 態(tài) , 質 量 不 同 的獨 立 的 粒 子 , 。 而把 因 為所 有 的 負 能 態(tài) 都是 滿 的 , 正 常 電子 就不 能 夠 從 它 們 的 從而 奧本 海默 所 指 出的 所 有困 難 也 就不 存 在 了 。 可見 , 奧 本 海默 一 方 面 指 出 不能把 空 穴 解 釋成 質子 , 另 一 方面 卻 又 不 敢 大 膽 地 把 它 解 釋 , 成 一 種

7、新粒 子 盡 管 他 離 開 這一 預 言 只 差 一 步 了 那 么 是 什 么 原 因 不 僅 使 狄拉克 生 硬 地 把 空 穴 看 成 是質 子 沒 能 提出 新 的粒 子 來 呢 ? 而 且 又 使奧 本 海默 等人 到 底 也 , 那 是 由于 他 們 還沒 有 實 驗事 實 的 支持 . 實 驗 擁 有最 后 的 和 決 定 性 的 。 發(fā)言 權 。 實驗 的 這 種 作 用 在 蘭 姆 ( W 的電 子 理論 預言 , E . L , a m b 1 : 位 移 問 題 上 再 一 次 明顯 地 反 映 了出 來 2 “ P , : 狄拉克 s 對于 n = 2 的電子 擴 5

8、 / 和 , 兩 個能 級 應 該 重 合 H o u s 。 這個 預 言 早 已 引 (w m i a m 、 起 許 多 人 的 懷疑 派 特奈 克 ( P a , 而且 有一 些 實 驗 物理 學 家 n a “ 如 豪斯 敦 ( t n o , 、 威 廉斯 , t e r 。 k , 等早 在 二 次 世 界 大 戰(zhàn) 前 在 微 波 技 術 發(fā) 展 的 初 期 直 到 厘 米 波 長 的 微 波 技 術發(fā) 展 起 來 以 后 n 就已 經 得 到 一 些 與 22P , 預言 不符 的 結 果 然而 蘭姆 才 得 以 設 計 出一 個 非 和 ,: 常 有說 服力 的 實驗 來 測

9、 定 = 2 的 氫 譜線 的 精 細 結 構 , 并得 出 2“ S , I : 確 實 不 重合 的 結論 。 這 一重 要 的 實 驗 成 果 通 常 稱 為 蘭姆 位 移 , 它 在 物 理 學 的 近 代 發(fā) 展 中起 了 很 大 的 作 用 。 五 、 反 粒 子和 反 物質 的展 望 , 象能 量 子 和 光 速不 變 原 理 的提 出一 樣 大 突破 子 。 反粒 子 概念 的提 出 和 確 立也 是物 理科 學 的 一 項 重 E ( . 2 年 發(fā) 現(xiàn) 以后 繼 正 電 子在 1 9 3 O . , 在 加 州 大 學大 型加 速 器上工 作 的 西 格 雷 5 S e 、

10、 g r 的 。 和錢 伯林 ( , C r i a b mb l a e n 在 195 年 發(fā)現(xiàn) 了 反 質 子 1 M e v . , 然 后 是反 中子 一 、 反核子 、 反介 一 其 中 包 括 中 國物 理 學 家 王 淦 昌 1 9 一 , 5 7 年 在 蘇 聯(lián) 杜 布納 工 作 時 所 發(fā) 現(xiàn) 的 反西 格 馬 超 子 為 了 產 生 電 子 正 電 子偶 需 要大 約 的 能 量 而為 了產 生 質 子 反 質 子 偶 。 , 中子 反 中子 偶 , 所 需 要 的 能 量就 達 到 , 2 G e v , 因 而需 要 更大 的 加速 器 , , 產 生 粒子 和反 粒

11、 子 時 需要 一 。 定數(shù) 量 的 能 量 的真 空 中 He s 。 而 當粒 子 、 反 粒 子相 遇而 湮 沒 時 則 放 出 這 份能 量 o r a 反物 質 必 須 保 存 在 絕 對 、 , 否 則它 將和 物 質相 遇 而 產 生 爆 炸 , 這 種 爆 炸 則是 人類 見 所未 見 . 聞 所 未 聞的 ; : 。 最新 的 成就 是 哥 倫比 亞 大 學 的 萊 德 曼 ( L 這 些 事 實 加強 了 人 們 的信念 。 L e d m 的 在 實驗 室 里 得 到 了 反 氖 以 及 反 認 為 所 有滿 足 泡 利 不 相 容 原 理的粒 子 都 有 反 粒 子 正

12、如 狄 拉克 在 1 9 3 3 年接 , 認為 在 宇 宙 的 某 個部 分 存 在 著反 物質 受 諾 貝 爾獎 時所 說 的 那 樣 , .A 口 , 果 我們 把 正 負 間的 完 全 對稱作 為 一 條基本 的 自然規(guī) 律 系 含 有 大 量 的 負 電 子和 正 質 子當 作 是 件偶然 事 件 它 們 主 要 由正電 子 和 負質 子 組成 。 。 那 我 們 就 得把 地球 ( 可能 是整 個 太 陽 非常 可 能 某些 星 球 完 全是 另 一 回事 。 事實 上 有可 能兩 種 星 球各 占一 半 參 考 n , ” 文 a n 獻 Ex Y Ex Y o 1 Di Ce

13、r a e , P y P . A . M . , R , e e o l le . e t io o f e iti n g E d E d a r a , H is n t o r y o f , Tw e n . t i e t五 n t u r a e , Ph ys ie . s . A R e a d P e r e s s N ew o o r k a n Lo r a , d o n , P i l o t o r . . 19 7 7 T w e n . 2 Dir C e n A . M s , e e o e a lle . t io n , f a n e c i t

14、in g r His y o f , t i e t五 t u r y P P hy . i e s , A d P P r e r e s s N w o n o k t i a n 一 L t t o n d , o n , P i l o L e e 19 77 a 3 Di U n r a e , A o . M f . , T h e di e t i f . A n m e r A t u r e t t h e iv e r s , ity M ie hig . a n , A Pr il 1 7 r e , , P i Z 197 5 n t . 仁4 Di r a e P .

15、 A o . M f , Th e P n , die t i o n o f . A i一 m 1975 a t t . e r , A Le e t u r e a t t h e Un iv 5 Dir U n iv 6 e r s i ty P . M ie hig a . A Pr il 1 7 P r e , P i 4, o a e , A . M f , Th e di e t io n f . A , n t i一m x 97s a . t t e r , A Le e t u r e a t t h e e r s i ty o . M i e hi g a . n , ,

16、 A P r il 1 7 P i 6 t Dir 128, a e , P . . A , M , P 。 r o e e e d in g s o f he R o y al S o e ie t y (L o n d o il S e r i e s A . P 362 , 1 930 . 7 Di r a e r P a . A t a M . , Th e O r i g in i ty , o f y a r Qu 30, s , a n . t u m , F i e ld 1950 . Tb e o r y , A Le e t u r e a t F lo s 9 id r

17、e , S t e U n iv r o r u e r s M t r o a P 24 . 5 S e g g E E . , F F m m X X 一 r a y y , Qu Qu . k PP i g i P . 。 192 19 50 , 1 950 . . e r e , . , 一 r a o a r k s , 193, 1 0 1 1 趙忠 堯 給楊 振 寧的 一 封 信 S k o be l Th e 1 9 82 年 2 月 2 1 日手 稿 . t z yn , L o e t t e r o t o D it r N . R P . Ha n s o n , O

18、. e t . 24 , 1960 , N . R . Ha n s o n , C e o n e e Pt , f e t h e P t o s r o n , l s Z, . 19 63 n s o n , 21 一 Skob l t z yn L t t e r s o D r . N . R Ha 0 e t . 24 , 1960 , N . R 。 Ha n s o n - 五 13 1 4 1 5 Dir Di a e , , P i o . l s Z, o 196 3 n ti 一 . P P e 。 A A . M . . , Th Th . e Pr 0 e die

19、 i g in t o n f A a n , m a t t e r , PP Zo 2 1 , e o r . 19 7 8 。 r a e e n , . M 。 , e r f . Qu 35 t u。 . , Fi e ld , Th . y , P 25, . 1 9 80 O PP h im e r , J R . , P hy s . R e v P 56 2 1 030 . 口 . ANTI P ARTI CLES AND ANT I M ATTER一 D I SCOVERY AND DEVELOPM ENT T ia n 一 一 11a o A bs tr Th in e a e t i 一 zn di s a e o v e r y o f a a n t i一 P a t r t ie l e o u n s a n d a n t a t t e t u r 15 t t n a g y . r e a t r s t e o P f o r w a