反粒子和正电子
量子场理论还告诉我们,每一粒子都必然存在一个与它相反的对应物,称做反粒子。汤姆·斯托帕德(Tom Stoppard)在他的剧作《谍变》(Hapgood)中这样说反粒子:“当一个粒子遇到它的反粒子时,它们会彼此消融;会转化成能量爆炸,这你能理解。”所有的科幻迷都知道反粒子——它们是用来制造毁灭宇宙武器的东西,也是《星际旅行》(Star Trek)里“进取号”航空母舰的驱动力。
这几种应用都是虚构的,但反粒子并非虚构,反粒子是粒子物理世界观里的真实组成部分。在场理论与标准模型里,它们同粒子一样重要。实际上,反粒子就和粒子一样,只不过是有着相反的电荷。
保尔·狄拉克在创立量子场论描述电子时,第一次遇到反粒子。他发现,与量子力学和狭义相对论都协调的量子场论必须包括反粒子。他并非刻意地将它们添加进来,在他纳入了狭义相对论时,理论就自然出现了。反粒子是相对性量子场论的必然产物。
为什么说反粒子随狭义相对论而出现,这里有一大略的解释:带电粒子能在空间里前后移动,那么根据狭义相对论,我们就可能天真地以为,这些粒子在时间中也能够前后移动,但就我们所知,无论粒子还是我们知道的别的任何东西,都不能在时间里向后流动。事实是带相反电荷的反粒子取代了逆时间倒流的粒子。反粒子产生了倒流粒子所能产生的效应,这样,即便没有逆流,量子场论的预言也能与狭义相对论互相协调。
假想一部电影,播放的是带负电荷的大量电子从一点流向另一点。现在,想象把这部电影倒放,负电荷会向后流动,(就电荷来说)这就等于正电荷在向前流动。正电子(电子的带正电荷的反粒子)就形成一个向前流动的正电子流,它们的表现就像是逆时间倒流的电子。
量子场论告诉我们,如果存在任何一种类型的带电粒子,如电子,就必然存在一个对应的带相反电荷的反粒子。例如,电子的电荷是-1,而正电子电荷则是+1。除了电荷之外,反粒子与这个电子完全一样。质子的电荷也是+1,但质子要比电子重2 000倍,因此不可能成为它的反粒子。
正如斯托帕德说过的,当两者发生接触时,反粒子和粒子确实会互相消融,因为粒子与其反粒子的电荷相加总是为零。所以,当粒子遇上其反粒子时,它们会彼此湮灭。粒子和反粒子在一起,他们不带电荷,因此,我们由爱因斯坦的公式E=mc2可知,所有的质量都会转化为能量。
另一方面,如果有足够的能量,也可以让粒子与反粒子之间互相转换。在高能粒子加速器里,既可以毁灭粒子,也可以生成粒子。物理学家们用粒子加速器来进行重粒子研究的实验,重粒子质量太大,在我们常见的物质里找不到。在对撞机里,粒子和反粒子相撞,彼此湮灭,由此会突发大量的能量,从而生成新的正反粒子对。
物质——尤其是原子,是由粒子而非反粒子构成的,因此,像正电子等反粒子,通常在自然界中并不存在。但在对撞机里,在宇宙的高温区域,甚至在医院里(人们用正电子发射断层扫描(PET)来发现癌症迹象),它们都可以暂时生成。
格里·加布里埃尔斯(Gerry Gabrielse)是我在哈佛大学物理系的同事,他一直在我现在工作的杰弗逊实验室的地下室里制造反粒子。多亏格里及其他人的贡献,我们才精确地知道,尽管电荷相反,但反粒子确实和它们对应的粒子一样,有相同的质量和引力作用。只是反粒子很少,也不足以构成危害。科幻迷们尽可以放心,反粒子对建筑物的危害,远不及不断兴建新的实验楼和办公楼所带来的危害严重,因为这些建筑的兴建,总是伴随着大规模的环境破坏和噪声污染。
电子、正电子和光子是最简单、最容易得到的粒子,电磁力和电子成为物理学家最先理解的标准模型成分,并非出于偶然。但电子、正电子和光子不是仅有的粒子,而电磁力也不是仅有的力。
在前面的图4-3和4-4中,我列出了已知的粒子和除引力之外的力。[7]图中未列出引力,是因为它与其他力有着本质的区别,必须区别对待。弱力和强力,尽管名字平凡,其性质却非常有趣。后面两部分,我们就来看看它们究竟是怎样的。
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