物理世界奇遇记-第14部分

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“哦，这是很简单的事，”老头说，“不过，我不想费牛劲
去把颜料从这个质子上刮下来，因为我上午工作的结果，这里还
多出两个正电子哩。”
他拉出一个抽屉，拿出一个微小的、明亮的小红球，他用大
拇指和食指把它牢牢地捏住，然后放在台子上那个小绿球的旁边。
这时发出了一声尖锐的、像鞭炮爆炸那样的响声，那两个小球一
下子全消失了。
“你看到了吗？”木雕匠说，一面向他那几个被轻微烧伤的
指头上吹气。“这就是为什么不能用电子来制造原子核的原因。
我曾经一度想这样做，但完完全全地失败了。现在我只有采用质
子和中子。”
“可是，中子同样是不稳定的，不是吗？”汤普金斯先生问
道，他还没有忘记老头的上一个表演。
“当中子单独存在时，它们是不稳定的。但是，当把它们紧
紧地塞入原子核中，并把别的粒子放在它们周围时，它们就变得
非常稳定了。不过，要是中子或质子相对说来大多了，它们就会
自己发生转化，这时，多余的颜料就会以正电子或负电子的形式
从原子核中发射出来。我们把这样一种调整方式叫做β衰变。”
“在制造原子核时要用胶水吗？”汤普金斯先生很感兴趣地
问。
“一点也不需要，”老头回答说，“你知道，只要把这些粒
子弄到一块，让它们接触，它们自己就会互相粘住。要是你愿意，
你可以自己试试看。”
汤普金斯先生按照这个建议，一手拿一个质子、一手拿一个
中子，小心翼翼地把它们放到一块。他马上感到有一种强烈的吸
引力，当他仔细观看这两个粒子时，他发现了一种极端奇怪的现
象。这两个粒子不断地交换它们的颜色，一会儿变红，一会儿变
白，好像红颜料正在从他右手的球“跳到”左手的球上，然后又
跳回来似的。颜色的这种移动是如此之快，以至于这两个球看来
好像被一条粉红色的带子绑在一块，而颜料的色彩就沿着这条带
子来回振动。
“这就是我那些搞理论物理的朋友叫做交换现象的玩意儿，”
老工匠说，他因为看到汤普金斯先生的惊讶而大为开心，“当你
把两个球这样放在一起的时候，这两个球全都倾向于成为红色的，
也就是说，它们全都想占有那个电荷。但是，既然它们不能够同
时占有这个电荷，它们就轮流把它拉来拉去，谁也不愿意把它交
出来，结果，这两个球就粘在一块，你只有使劲才能把它们分开。
现在我可以做给你看看，要制造任何你想要的原子核是多么简单
的事。你想要什么原子核呢？”
“金子。”汤普金斯先生说。他想起中世纪的炼金术士所想
达到的那个目的。
“金子吗？让我们做做看吧，”老工匠转向墙上挂着的一张
大图表，喃喃地念道，“金的质量是197个单位，　它带有79个正
电荷。这就是说，我必须拿出79个质子，　再加上118个中子，才
能得到正确的质量。”
他数出了那么多个粒子，把它们放入一个长长的圆筒里，并
用一个笨重的木塞把它整个塞上。然后，他使尽全身力气，把木
塞往下压。
“我必须这样做，”他向汤普金斯先生解释说，“因为带正
电的质子之间的电斥力非常强。一旦这种斥力被木塞的压力所克
服，质子和中子就会由于它们的相互交换力而粘在一块，形成我
们想制造的原子核了。”
他尽可能把木塞压到最深的地方，然后再把它拔出来，并且
迅速地把圆筒翻个底朝天。于是，一个闪闪发光的粉红色圆球滚
到台子上，汤普金斯先生仔仔细细地观察了它，发现这种粉红色
是由于那些迅速运动着的粒子交替发出红色和白色闪光而造成的。
“多么美丽啊！”他惊叹道，“那么，这就是一个金原子了？”
“还不是原子，只不过是原子核而已，”老木雕匠纠正他说，
“要制成原子，还必须添加适当数量的电子去中和原子核的正电
荷，也就是说，必须造成一个通常的电子外壳把原子核包住。不
过，这是很容易做到的，只要在原子核周围有一些电子，原子核
自己就会把它们抓住的。”
“奇怪，”汤普金斯先生说，“我岳父从来没有提起过，人
们能够这样简单地制造出金子来。”
“你岳父同其他那些原子核物理学家啊！”老头感慨地说，
他的话里带着一种恼怒的音调，“是的，他们能够把一种元素变
成另一种元素，可是，他们做得很笨拙，范围也非常有限。他们
所得到的新元素的数量，少到连他们自己也很难看到它。我来让
你看看他们是怎样做的。”于是，他拿起一个质子，用相当大的
力量把它朝台子上那个金原子核扔去。在接近那个原子核外围的
时候，质子的速度稍稍变慢了一些，犹豫了片刻，然后撞进原子
核中去了。那个原子核在吞没质子之后，好像发高烧似地哆嗦了
一会儿，然后劈啪一声分裂出一小部分来。
“你看，”他拣起那块碎片说，“这就是他们叫做α粒子的
那种东西，如果你仔细地把它检查一下，你就会发现它含有两个
质子和两个中子。这样的粒子通常是从所谓放射性元素的重原子
核中发射出来的，不过，要是把普通的稳定原子核敲打得足够狠，
你也可以把这种粒子敲出来。我应该请你注意这样一个事实：现
在留在台子上的那一大块碎片已经不再是金原子核了，它已经少
掉一个正电荷，现在是周期表上处在金前面的元素铂的原子核。
不过，有的时候，进入原子核的质子并不会使原子核分裂成两部
分，结果，你所得到的就是周期表上跟在金后面那个元素的原子
核，也就是汞的原子核。把这些过程和类似的过程结合起来，我
们实际上能够把任何一种指定的元素转变成另一种。”
“那么，物理学家们为什么不把大量像铅这样的普通元素，
转变成像金那样价值更高的元素呢？”汤普金斯先生问道。
“因为用炮弹轰击原子核的效率太低了。首先，他们不能够
像我这样准确地打出他们的炮弹，因此，实际上要射出几千发炮
弹，才有一个炮弹击中原子核。其次，即使在直接命中的情况下，
炮弹也很可能不穿进原子核的内部，而是从原子核上弹回去。你
可能已经注意到，当我把质子扔到金原子核上时，它在进入原子
核之前有些犹豫，我当时还认为，它会被原子核弹回来呢。”
“到底是什么东西阻碍炮弹进入原子核呢？”汤普金斯先生
很感兴趣地问。
“你应该是能够自己猜到的，”老头说，“只要你还记得原
子核和轰击它的质子全都带有正电荷就行了。在这些电荷之间的
静电斥力，形成了一种不很容易越过的堡垒。如果说入射质子能
够穿过原子核的这种堡垒，那只是因为它们利用了某种像特洛伊
木马计那样的方法，它们不是作为粒子，而是作为波通过原子核
的核壁的。”
汤普金斯先生正想承认他不理解老头的话是什么意思，但是
就在这个时候，他突然意识到他可能已经理解了。
“有一次，我看过一种有趣的台球比赛，”他说，“那里用
的也是这样的球。最初，台球放在三角形的木框里。后来，它突
然出现在木框外，就像是穿过那个木质堡垒‘漏’出来似的，当
时，我还担心老虎会不会也从铁笼里漏出来。你看，我们刚才在
这里看到的是不是同一回事呢——只不过现在不是台球和老虎漏
出来，而是质子漏进去罢了？”
“我觉得就是这样。”老头说，“不过，我对你说实话吧，
理论从来就不是我的强项。我自己只不过是个做实际工作的人。
但是十分明显，那些核粒子只要是用量子材料做成的，就总是能
够穿过一般认为无法通过的障碍物漏进去。”
老头停了一下，认真地看着汤普金斯先生。“你说的那些台
球，”他接着问道，“它们确实是真正的量子象牙台球吗？”
“是的，据我了解，它们是用量子大象的长牙制成的。”汤
普金斯先生回答说。
“好啊，人生就是这样嘛，”老头悲哀他说，“他们浪费这
样宝贵的材料，只不过是为了玩乐，而我却不得不用普普通通的
量子橡木来雕刻质子和中子——整个宇宙最基本的粒子。”
“不过，”他继续说，努力想把他的沮丧掩盖起来，“我这
些可怜的木雕制品同那些贵重的象牙制品一样出色。我要让你看
看，它们能够多么干净利落地通过任何一种堡垒。”于是，他登
上长板凳，从顶层架子上拿下一个雕刻得很奇怪的木制品，它的
样子很像一座火山口的模型。



“你现在所看到的，”他继续说，一面轻轻地拂去上面的灰
尘，“是任何一个原子核周围都存在的斥力势垒的模型。外面的
斜坡相当于电荷之间的静电排斥作用，而里面那个洞相当于把核
粒子粘在一起的内聚力。现在如果我把一个球向斜坡上弹去，但
是所用的力量不足以使它越过坡顶，你自然要认为它将会滚回来
。但是，你看看实际上会发生什么事吧……”说着，他把那个球
轻轻一弹。
那个球在大约爬上斜坡的一半以后，又重新滚回台子上来了。
“怎么啦？”汤普金斯先生不满意地评论说。。
“等一等，”木雕匠平静他说，“你不应该期望第一次试验
就能看到啊。”于是，他又一次让那个球爬坡。这一次又失败了。
但是，在第三次试验时，那个球大约刚刚爬上斜坡的一半时，突
然一下子消失不见了。



“好，你能猜到那个球到哪里去了吗？”老木雕匠带着魔术
师的神态得意洋洋他说。
“你是说它现在已经进入洞中了吗？”汤普金斯先生问道。
“是的，它现在确实就在那里。”老头说，一面用指头把那
个球夹出来。
“现在让我们反过来做一做，”他提议说，“看看球不爬上
峰顶，能不能从洞里跑出来，”说着，他把那个球扔回洞里。
有一段时间，什么事情都没有发生，汤普金斯先生只能听到
那个球在洞里来回滚动所发出的细微的声响。后来，就像发生一
个奇迹那样，那个球突然出现在外面斜坡的中部，然后平缓地滚
落到台子上。
“你现在所看到的一切非常忠实地重演了放射性物质β衰变
中所发生的情景。”木雕匠说、同时把模型放回原处，“只是在
后一种场合下，你碰到的不是用普通量子橡木制成的斜坡，而是
静电斥力的势垒。不过，从原理上说，这两者并没有任何差别。
有的时候，这种电势垒是非常‘透明的’，粒子远远不到一秒钟
就会逃跑出来；但有的时候，它们却非常‘不透明’，要发生这
种现象，需要几十亿年的时间，比如说，在铀原子核的场合下就
是这样。”
“但是，为什么原子核不全都是放射性的？”汤普金斯先生
问。
“这是因为在大多数原子核中，那个洞穴的底部低于外面的
水平面，只有在那些非常重的已知原子核中，洞穴的底部才高到
有可能发生这种逃跑的事件。”
老木雕匠抬头看看墙上的挂钟。“哎呀，到时啦。我该关门
了。如果你不介意……”
“啊，我很抱歉。我本来并没有打算让你花费这么多时间。”
汤普金斯先生带着歉意说，“不过，这实在是大有意思了。我只
剩下一个问题。可以问吗？”
“是吗？”
“你刚才说，在把不值钱的元素变成更值钱的元素时，用炮
弹轰击原子核的做法很难奏效，效率非常低……”
老木雕匠笑了。“你还在希望利用原子核物理学发大财？”
汤普金斯先生不安地动了动，但还是继续往下说。“但是，
对你来说，这似乎不难做到，用你放在那里的那种巧妙的装置。”
他指着那个用圆筒和木塞组成的新奇发明说，“所以，我觉得很
奇怪……”
老木雕匠又笑了。“它是很巧妙，但事情并不是真的。问题
就在这里。不，你应该承认，把不值钱的金属变成金子——用生
意场上的话来说——这纯粹是空想。我想，你该醒醒啦。”
“这也太过分了。”汤普金斯先生闷闷不乐地想着。
“我说，你该醒醒啦。”
不过，这一次并不是老木雕匠在说话。说话的是慕德。


　１４　虚空中的空穴

女士们、先生们：

今天晚上我们要讨论一个特别吸引人的题目——反物质。
反物质的第一个例子，就是我在前几次演讲中已经提到过的
正电子，我想先指出一个很有启发性的事实，这就是，这种新粒
子的存在是在实际探测到它的好几年前，人们就已经根据纯粹的
理论考虑加以预言的，不仅如此，由于人们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。
作出这种理论预言的荣誉归于英国物理学家狄喇克。他利用
爱因斯坦的相对论，结合量子理论的一些要求，去推导电子的能
量下的公式。在快要完成计算时，他得到了　E2　的表达式。这样，
最后一步就在于取这个表达式的平方根，　找出同E本身相对应的
公式。大家知道，在取平方根时，通常有两个不同的可能值：一
个是正的，另一个是负的（例如，4的平方根可以是＋2，也可以
是－2）。　在解决物理学问题时，人们习惯于认为负值“没有物
理意义”而不加以考虑，换句话说，就是仅仅把它看作是一种没
有任何意义的数学怪物。在上面所说的这个特定的场合下，负解
应该同具有负能量的电子相对应。大家别忘了，按照相对论，物
质本身是能量的一种形态，所以，具有负能量的电子就意味着它
具有负的质量。而这简直是不可思议的！如果你对这样的粒子施
加一个引力，它就会离你而去；如果施加的是推力，它却会朝你
奔过来——这是同“可以触摸到的”带正质量粒子的行径完全相
反的。当然，完全可以认为，我们有充分的理由把那个方程的负
解看做是“没有物理意义的”。不理睬它！
　狄喇克的精明之处就在于他并没有采取这种思路。他认为，
电子不仅可以有无穷多个不同的正能量量子态，并且也可以有无
穷多个不同的负能量量子态。问题是：电子一旦处于负能量量子
态，它就必定会显出负质量特有的表现，而这样的事物当然是从
来没有观察到的。那么，假设中的这种古怪的带负质量电子到底
在哪里呢？
为了勉强摆脱这个难解的问题，有人可能会一下子就说，这
只不过是电子恰好不喜欢负能量的量子态，它们由于某种原因，
就让这类量子态永远空着。但是，这是说不通的。我们已经知道，
虽然在原子中电子有一些量子能态可以占有，但是，电子总是自
然地倾向于跳到最低的可用能态并把它的能量辐射出去（除非这
个能态已经被别的电子所占有——根据泡利不相容原理，这时它
就无法再跳进去了）。既然如此，我们就应该想到，所有的电子
都会随时从较高的正能态跳到较低的负能态。难道它们的举止全
都不合规矩吗？！
狄喇克所提出的解决办法可能是极其奇怪的。他认为，我们
所熟悉的电子之所以没有跳入负能态，是因为所有的负能态全都
已经被占满了——无穷多个负能态已经被无穷多个带负质量的电
子占满了！如果事情确实如此，那么，为什么我们看不到它们呢？
严格他说，这是因为这样的电子实在太多太多了。它们形成了一
个完整的连续统。这些电子处在一个完全规则、完全均匀分布的
“真空”里。
一个完整的连续统是探测不到的。你无法指着它说“它就在
这里”。它是无所不在的。不管在什么地方，它都不会比别的地
方多一点或少一点。当你通过它进行运动时，你不会觉得在你的
前面它的密度集结得大一些，在你的后面留下了“空隙”——汽
车通过空气行驶、鱼儿通过海水运动的情形就是这样。因此，它
对运动不会产生任何阻力……
听到这里，汤普金斯先生觉得头晕脑涨了。一种真空——完
完全全的虚空——被某种什么东西完全占满了！它就在你的周围，
甚至还在你的体内，可你就是看不到它！
他开始做起白日梦了。他好像是变成一条鱼，在水中度过他
的一生。他感觉到海上清爽的微风和轻轻荡漾着的碧波。但是，
尽管他游泳游得很好，却无法使自己保持在海面上而开始越来越
深地往下沉。奇怪的是，他并没有感到缺乏空气，反而觉得十分
舒服。“可能，”他想，“这是一种特殊的隐性变异的效果。”
据古生物学家们说，生命是从海洋中开始的，在鱼类当中，
第一个移栖到干燥陆地上的先锋是所谓肺鱼，它爬到海滩上，靠
它的鳍爬行。据生物学家们说，这种最早的肺鱼后来逐渐进化成
陆居动物，像老鼠，猫，人等等。但是其中有一些，像鲸类和海
豚，在已经学会克服陆上生活的一切困难以后，又回到海洋里去
了。它们回到水里以后，仍然保存了它们在陆上斗争中所需要的
那些优点，并且仍然是哺乳动物，雌鲸和雌海豚在体内怀胎，而
不是只甩出鱼子，再由雄性授精。那个名叫斯齐拉德的著名匈牙
利科学家不是说过，海豚的智力比人类还要高吗？！
他的思路被海洋深处某个地方的一段对话打断了，进行对话
的是一条海豚和一个典型的人。汤普金斯先生认出，这个人是剑
桥大学的物理学家狄喇克，因为他过去曾经看见过他的照片。



“你听着，狄喇克，”是那条海豚在说话，“你老是说，我
们不是处在真空中，而是处在由带有负质量的粒子所形成的物质
介质中。就我的感觉来说，水同空虚无物的空间根本没有任何差
别，水是十分均匀的，我可以穿过它朝各个方向自由地运动。不
过，我从我曾祖父的曾祖父的曾祖父的曾祖父那里听到一个传说，
说是在陆地上就完全不同了，那里有许多高山和峡谷，不费很大
力气就没法越过它们，而在这里，在水中，我可以随意朝我选好
的任何方向运动。”
“就海水这个场合而论，你是正确的，我的朋友，”狄喇克
回答说，“海水对你身体的表面施加一种摩擦力，如果你不摆动
你的尾巴和鳍，你就根本不能够运动。同样，由于水的压力随着
深度而改变，你要靠你身体的膨胀和收缩才能够往上浮和往下沉。
但是，如果水没有摩擦力和压力梯度，你就会像个用完火箭燃料
的宇航员那样无依无靠。我那个由带负质量的电子所形成的海洋
是完全没有摩擦力的，所以它就没法观察到了。只有缺少一个电
子的情况才能用物理仪器观察到，因为缺少一个负电荷就等于出
现一个正电荷，这种情形就连库仑也能注意到的。
“不过，在用普通的海洋来比喻我的电子海洋时，我们必须
指出两者之间有一个重要的差别，才不致被这个比喻带到太远的
地方去。问题在于，既然形成我的海洋的电子必须服从泡利原理，
所以，当所有可能的量子能级都被占满的时候，就无法再往这个
海洋里添加一个电子了。这样，一个多余的电子就不得不停留在
我的海洋的表面之上，因而很容易用实验把它辨认出来。电子是
汤姆孙首先发现的。不管是围绕原子核旋转的电子，还是通过真
空管飞行的电子，都是这种多余的电子。在1930年我发表第一篇
论文以前，我们以外的空间一直被认为是空虚的，当时人们相信，
只有那些偶然溢到零点能水平面以上的水花，才具有物理学上的
现实性。”
“但是，”海豚说，“既然你的海洋是连续的，又没有摩擦
力，因而无法观察到，那么，你谈论它又有什么意义呢？”
“好吧，”狄喇克说，“现在让我们假设，有某种外力迫使
一个带有负质量的电子从海洋深处升高到海面以上。在这种场合
下，可以观察到的电子就多了一个，人们大概会认为，这种情形
是违背了守恒定律的。不过，由于这个电子的离开，现在在海洋
中形成了一个可以观察到的空穴。”
“它就像海水中的气泡那样，”海豚指着从深海出现。正在
慢悠悠地漂向海面的一个气泡说：“就像那个？”
“正是，”狄喇克同意了，“在我的世界里，我们不但可以
看见从电子海洋中敲出的带有正能量的电子，并且还可以看见留
在真空中的空穴。这个空穴就是少了一点以前存在过的东西的结
果。举例来说，原来那个电子是带有一个负电荷的，而在一个均
匀分布的连续统中缺少了那个负电荷，就应该理解成在那里出现
了等量的正电荷；同时，在那里缺少了一个负质量也应该看做是
出现了一个正质量，这个质量的大小与原来那个电子相同，但却
取正值。换句话说，这个空穴的表现同一个完全正常的触摸得到
的粒子并没有什么两样。它的行为同电子一样，只不过它带的是
正电荷，而不是负电荷。正是因为这样，我们才把它叫做正电子。
这样一来，我们就看到了电子对的产生——在空间的同一点上同
时产生了