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發現反物質 │ 科學史上的今天:08/02

1932 年的今天,在加州理工學院做博士後研究的卡爾 · 安德森(Carl D. Anderson, 1905-1991)再次開著小卡車上到威爾遜山。他將車停在一個開闊的地點後,熟練地調整放在車後的雲霧室,準備拍下宇宙射線穿越雲霧室後所留下的蹤跡。

他跟著密立根研究宇宙射線已經兩年了,也對著雲霧室拍了無數的相片,試圖從中發現甚麼端倪。如今他已頗能體會天文學家的孤寂,他們日復一日地在望遠鏡旁守候、觀測、拍照,期待運氣夠好,能從一模一樣的天體照片中發現差異。而自己現在做的不也是類似的事情嗎?

不過他還是試著提高自己的中獎機率──改良雲霧室。他加上了活塞可以藉由氣體體積膨脹而急速降壓冷卻,並且在水蒸氣中混合酒精,因此可以得到比同儕更好的攝影效果。再來就只能靠耐心與運氣了。沒想到這一天,幸運真的降臨了!

洗出來的相片(上圖)上有個粒子的行進方向與電子相反,顯然是帶正電。但從其軌跡的曲率推算,又絕不可能是質子,事實上,它的質量大小幾乎與電子一樣,可以說就是帶正電的電子;於是安德森將這個前所未見的粒子命名為正子(Positron),對外發表。這個正子就是狄拉克前一年所預言的「反電子」,代表電子的反物質;當時受到物理界的普遍懷疑。如今安德森證實了它的存在,讓狄拉克立即在第二年就獲頒諾貝爾物理獎;安德森自己也因此於 1936 年得到諾貝爾物理獎。

就在 1936 這一年,安德森又與學生共同從宇宙射線中發現另一個基本粒子──渺子(muon)。他們原本以為這是湯川秀樹所預測的 π 介子,結果竟是完全不在物理學家的理論之中的奇特粒子。諾貝爾物理獎得主拉比(Isidor Rabi)還調侃道:「這是誰點的啊?」(Who ordered that?)

大多數科學家一生都無法發現新粒子,安德森竟然短短幾年內(尤其是在粒子加速器發明之前)就發現了兩個,難道幸運女神特別眷顧他?其實不然,後來我們知道他並不是捕捉到正子身影的第一人,約里奧─居禮夫婦在他之前就拍攝到正子的軌跡,只是他們理所當然以為是質子,未加以深究,才讓機會就這麼溜走,拱手將諾貝爾獎的桂冠讓予耐心守候的安德森。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。