物理世界奇遇记14：虚空中的空穴（下）

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1、物理世界奇遇记14：虚空中的空穴（下）物理世界奇遇记14：虚空中的空穴（下）物理世界奇遇记14：虚空中的空穴（下）　　　　　　“下一张幻灯片。”教授那熟悉的命令式的声音打断了汤普金斯先生的美梦，“我刚才说过，惟一能够探测到那种连续统的办法，就是要设法把它扰动一下。如果你能在连续统中击出一个空穴，那么，你就可以说：”整个连续统是无所不在的，但是这里是个例外。’女士们。先生们，这正好就是狄喇克所提出的建议：请在空虚的空间里打个洞吧！现在这张图片可以告诉大家，这件事已经做到了！这是一张气泡室的照片　　　　“这是一张气泡室的照片。我也许

2、应该说明一下，气泡室是一种粒子探测器，它有点像威尔孙云室，但是其内容却正好相反。气泡室是美国物理学家格莱泽发明的，他因此而获得1960年的诺贝尔物理学奖。据说，有一次他坐在酒吧里，郁郁不乐地注视着他面前的啤酒瓶中冒起的气泡。他突然想到，既然威尔孙可以通过气体中的液滴去研究粒子，那么，他为什么不能通过液体中的气泡更好地对粒子进行研究呢？威尔孙是使气体发生膨胀而使过饱和的水蒸气冷却凝成小水滴的，那么，他为什么不能降低对液体的压力、使它变得过热而沸腾呢？而这正是气泡室所起的作用：它用液体中的一串串气泡标志出带电亚原子粒子的尾迹。　　　

3、　”这张特殊的幻灯片显示了两个电子－正电子对的产生。有一个带电粒子进入了这张图的底部。它在大家看到的那个拐弯的地方发生了一次相互作用。由于这次相互作用，不但那个带电粒子离开原来的路径向右拐弯，而且还产生了一个中性粒子，后者立即变成两束高能γ射线。你们既看不到这第二个粒子，也看不到它所产生的γ射线，因为它们都是电中性的，不会留下一串气泡。后来，每一束γ射线又各自产生一个电子－正电子对，那就是图上端那两个V字形的径迹图形。请大家注意，那两个V字的下端都指向原先相互作用的地点。　　　　”大家还应该注意到，所有这些径迹都有规则地朝着这一

4、侧或那一侧弯曲。这是因为当时已经沿着我们视线的方向对整个气泡室施加了强大的磁场。这个磁场使得照片中的带负电运动粒子顺时针方向拐弯，而带正电粒子则逆时针方向拐弯。既然这样，现在你们就应该能够辨认出每一对中的电子和正电子了。顺便说一下，有些径迹之所以比另一些径迹弯得更厉害。是因为弯曲的程度取决于粒子的动量：粒子的动量越小，其径迹的曲率便越大。你们现在一定已经开始认识到，一张气泡室的照片充满了各种各样的线索，它们可以指引我们怎样继续走下去！　　　　“现在你们已经看见怎样才能在真空中打出一个洞，而且一定想知道接下去会发生什么样的事……”

5、　　　　　　听到这个时候，汤普金斯先生并不觉得奇怪。他的思想已经回到他自己也是一个电子的时候了，并且毛骨悚然地想起他怎么闪避开那个好战的正电子。但是，教授还在继续往下讲：　　　　　　……正电子的表现一直同正常的粒子没有什么两样，直到它碰上一个普通的带负电的电子。这时电子会立即落入这个空穴并把它填满，于是，连续统便恢复了原状，而电子和正电子都双双消失了，我们把这种事件叫做正电子与负电子互相湮没。在它们结合时释放出的能量以光子的形态发射出去。　　　　我刚才一直把电子说成从狄喇克海洋中溢出的东西，而把正电子当做这个海洋中的空穴。但是，

6、我们也可以把这种看法反过来，把普通电子看做空穴，而让正电子扮演被溢出的粒子的角色。不管是从物理学观点还是从数学观点来看，这两种图像都是绝对等效的，无论选用哪一种图像，实际上并没有任何差别。　　　　其实，电子并非独一无二地具有反粒子的粒子。与质子相对，也有一种反质子。正像我们可以预料到的，它的质量正好与质子相同，但却带有相反的电荷，换句话说，反质子是带负电的。反质子可以看做是另一种连续统中的空穴。这一次，这个连续统是由无穷多个带负质量的质子组成的。事实上，所有各种粒子都有其反粒子，我们把后者统称为反物质。　　　　现在有这样一个问题

7、：“如果说在我们所居住的这一部分宇宙，物质在数量上明显地占优势，那么，我们是不是应该设想在宇宙的某个其他部分，情况会恰好反过来呢？”换句话说，从狄喇克海洋中溢到我们周围的水花，是不是要靠某个什么地方缺少这种粒子来作为抵偿？　　　　这个极有意义的问题是很难回答的。事实上，由于由带负电的原子核和围绕它转动的正电子所构成的原子，应该具有与普通原子完全相同的光学性质，我们就没有办法靠任何光谱分析来解决这个问题了。就我们目前所知道的情况而言，构成大仙女座星云的物质，就非常可能是属于这种颠倒型的，不过，惟一能证明这一点的办法是把一块这样的物

8、质拿到手，看看它在同地面上的物质接触时究竟会不会发生湮没。当然罗，这将是一种极其猛烈的爆炸！　　　　事实上，最普通的办法是对互相碰撞的星系进行观察。如果有个星系是由物质构成的，另一个星系是由反物质构成的，那么，当一个星系的电子与另一个星系的正电子互相湮没时，所释