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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 三、走错方向的电子还是走对方向的正电子？
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与反粒子理论的曲折发展同样生动坎坷的，是实验物理学家们发现反粒子的故事。对于实验物理学家们来说，这个故事多少带着点遗憾，因为其实早在狄拉克提出反粒子概念之前，反粒子就已经在实验室里留下了踪迹，却被他们所忽略，这才让理论物理学家捷足先登。
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在20世纪30年代，物理学家们探测带电粒子径迹的主要工具是云室（cloud chamber）。云室不仅可以显示带电粒子的径迹，通过将其置于磁场中，还可以进一步判断出粒子所带电荷的正负——因为正电荷与负电荷在穿过磁场时会往不同方向偏转。早在狄拉克提出反粒子概念之前，实验物理学家们就在云室照片中发现过一些类似于电子，却与电子有着相反偏转方向的径迹。这些径迹其实正是反电子掠过云室留下的倩影。可惜就像狄拉克起初不敢把空穴诠释成反电子一样，实验物理学家们也未曾想到把那些反常径迹诠释成新粒子，从而错失了先于理论而发现反电子的机会。
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直到狄拉克提出空穴是反电子之后，云室中那些反常径迹才引起了一些实验物理学家的重视。比如英国卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）的物理学家布莱克特（Patrick Blackett）就告诉狄拉克说，自己与同事可能已经发现了反电子存在的证据。但即便有狄拉克当出头鸟，布莱克特仍未敢贸然发表自己的发现，而是打算做进一步的核实。这一延缓将发现反电子的优先权拱手让给了大西洋彼岸的美国物理学家安德逊（Carl David Anderson）。
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安德逊当时在美国西岸的加州理工大学（California Institute of Technology）从事宇宙射线研究。与其他一些实验物理学家一样，他也在自己的云室照片中发现了类似于电子，却与电子有着相反偏转方向的径迹，而且这样的径迹并不稀少，这一点引起了安德逊的重视，于是他把这一发现告诉了当时正在欧洲进行访问的导师密立根（Robert Andrews Millikan）。密立根是一位实验物理大师，曾因测量电子电荷及光电效应方面的工作获得1923年的诺贝尔物理学奖。对于安德逊所发现的径迹，密立根的解释是视之为质子产生的——质子所带电荷与电子相反，因而可以解释观测到的偏转方向与电子相反这一事实。但密立根的质子解释有一个致命的弱点，那就是像质子这样的重粒子在云室中的径迹应该远比像电子那样的轻粒子来得显著。可是安德逊所发现的径迹却并未显示出这种差异，因此密立根的质子解释很快被排除了。
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另一方面，安德逊自己也提出了一种解释，他认为偏转方向与电子相反的径迹有可能是由反方向运动的电子产生的，这种解释也曾被欧洲物理学家们采用过。单纯从径迹的偏转方向上讲，它的确是能够说得通的。但安德逊的反向电子解释也有一个令人困惑的地方，那就是他所研究的是宇宙射线，而宇宙射线来自天空，从而应该是以大体相同的方向——即自上而下——穿越云室的。既然如此，反方向运动的电子又从何而来呢？解决这一疑问最直接的办法无疑是对电子的运动方向进行直接检验。为此，安德逊在自己的云室中间插入了一片薄薄的铅板。由于粒子穿过铅板速度会变慢，因此只要对粒子在铅板上下的速度快慢进行比较，就可以判断出粒子的运动方向[4]。通过这一手段，安德逊发现绝大多数偏转方向与电子相反的粒子和电子一样来自天空，也就是说它们的运动方向与电子是相同而不是相反的。这就把安德逊自己的反向电子解释也排除了。
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这两种解释都被排除了，留给安德逊的就只剩下一种解释了，那就是：他所发现的径迹来自一种带正电的、质量却远比质子轻的粒子——一种尚不被实验物理学家所知道的新粒子。但这种解释也有一个问题：那就是这样一个质量不大的新粒子为什么以前一直未被发现呢？如果安德逊知道狄拉克的空穴理论，他或许会想到那是因为这种粒子是反电子，它很容易因为与电子相互湮灭而从人们眼皮底下消失。可当时安德逊并不知道狄拉克的空穴理论，因此留给他的这唯一解释似乎看起来也不太可能。不过“看起来不太可能”和“不可能”终究是有差别的，福尔摩斯有一句虽不严谨但很管用的名言：当你排除了所有的不可能，剩下的无论看起来多么不可能，一定就是真相。安德逊知道这时候不应该犹豫了，于是他不顾密立根的反对，于1932年9月公布了自己的发现。
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4年后，这一发现为他赢得了诺贝尔物理学奖。
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安德逊发现新粒子的消息一传到欧洲，布莱克特和他的同事立刻意识到自己犯下了迟疑不决的“兵家大忌”，他们已经发现却未敢贸然发表的显然正是同样的粒子。于是他们立刻也发表了自己的结果。他们的结果虽不幸在时间上落后于安德逊，却有幸在空间上占据了一个有利条件，那就是他们离狄拉克很近。安德逊虽然发现了新粒子，却不知道它和电子的关系，而布莱克特和他的同事不仅知道新粒子和电子的关系，还知道它和电子可以成对产生，于是他们在自己的云室照片中有意识地寻找这种产生过程的证据，并如愿以偿地成为了首先发现正反粒子对产生过程的物理学家[5]。
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在这些成果的发表过程中，反电子获得了一个新的、后来更为流行的名称：正电子（positron）。这个名称是一位杂志编辑向安德逊建议的，它的本意是“正子”（当时安德逊并不知道这一粒子与电子有关）。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 四、从反粒子到反物质
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正电子成为人类发现的第一种反粒子并非偶然。因为与之相比，其他反粒子要么在宇宙线及天然放射源中比较稀少，而早期加速器的能量又不足以产生；要么由于相互作用太弱而不易检测，其发现的难度都远远大于正电子。因此自正电子被发现之后，发现反粒子的步伐停顿了下来，直到二十几年后才迎来了一轮爆发。1955年，意大利物理学家赛格雷（Emilio G. Segrè）与美国物理学家张伯伦（Owen Chamberlain）“领衔”发现了反质子（赛格雷和张伯伦获得了1959年的诺贝尔物理学奖）；次年，美国物理学家考克（Bruce Cork）及其合作者又发现了反中子。至此，组成物质的三种最重要粒子的反粒子都被发现了。此后，随着加速器能量的持续提高，其他基本粒子的反粒子也被陆续发现——当然，后来的那些发现对物理学家们来说已毫无悬念，因为在理论上，除少数粒子与自己的反粒子相同外，所有其他粒子都该有自己反粒子的观念早已确立。
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不过尽管反粒子的发现和产生已不再稀罕，但反粒子很容易被“正”粒子湮灭，因此如何保存它们依然是一个极大的技术难题。直到20世纪80年代，物理学家们才开始掌握了保存少量反粒子的手段。但是要想保存更多的反粒子，却又面临另一个技术难题，因为带同种电荷的反粒子相互排斥，中性的反粒子又不稳定。在这种情况下，要想积累反粒子，一种可能的手段是让反粒子像普通粒子配成原子那样配成中性的反原子。但是让那些极易湮灭，通常又高速运动的反粒子乖乖地组成原子又谈何容易？这项工作直到1995年才由德国物理学家欧勒特（Walter Oelert）领导的实验小组所完成，他们在欧洲核子中心（CERN）的低能反质子环（Low Energy Antiproton Ring）上成功地制备出了9个反氢原子。虽然只有区区9个，与普通原子动辄就是几个摩尔——1摩尔约有6 000万亿亿（6×1023）个——的海量相比少得简直不值一提，但这一消息1996年初一经披露立即引起了世界性的轰动。许多大媒体用显著标题进行了报道，欧勒特本人也受到了媒体记者的“围追堵截”，有记者甚至试图把他从飞机上拦截下来进行采访。反氢原子的制备之所以引起媒体如此广泛的关注，一个很重要的原因是因为原子和分子是承载物质物理和化学性质的基本组元。从这个意义上讲，反氢原子的成功制备是人类有史以来首次制备出了反物质，此前所研究的只能称为是反粒子而不是反物质。对媒体来说，这无疑是一个极大的兴奋点。
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不过欧勒特制备反氢原子虽是欧洲核子中心有史以来最受媒体关注的新闻之一，但该中心的粒子物理学家们却大都只是将之视为实验工艺上的成就，有人甚至戏称其为“新闻实验”。因为从理论上讲，由反粒子组成反原子乃是稀松平常之事；而从实用的角度讲，欧勒特制备的反氢原子不仅数量稀少，而且存在的时间也短得可怜，只有一亿分之四秒（4×10-8s），距离实用无疑还差得很远。欧勒特实验成功后的第二年，欧洲核子中心关闭了为这一实验及其他三十几个实验立下过汗马功劳的低能反质子环。这个低能反质子环在它服役的14年间总共产生了超过100万亿个反质子。如果把这些反质子全部当成反物质燃料与质子湮灭，它们所产生的能量大约可以让一盏100瓦的灯泡点亮5分钟。将这点微不足道的能量与14年间为产生这些反质子而消耗的巨大能源相比，不难看到用反物质作为能源在目前还是极度得不偿失的。
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但这些技术上的困难并不妨碍人类的想象力将反物质作为未来可能采用的一种能源。这种能源除了具有理论上最高的转化效率外，还有一个非常吸引人的优势，那就是洁净。我们知道，传统的能源，无论是化学能还是核能，通常都会在使用后产生有害的残留物，比如废气、核废料等，而正反物质的湮灭却可以将燃料彻底转化为能量，从而不留下任何残留物质，因此它是一种理论上最洁净的能源。这样既洁净又高效的能源不仅是科幻小说家的最爱，对于工程和军事领域来说也有着无穷的魅力。比如早在20世纪中叶，美国氢弹之父泰勒（Edward Teller）和苏联氢弹之父萨哈洛夫（Andrei Sakharov）就各自提出过反物质武器的可能性。在美苏冷战的后期，伴随“星球大战”计划的展开，美国军方开始了反物质应用方面的研究。
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不过，反物质武器的制造除了有上面提到的困难外，还会面临一个意想不到的难题，那就是正反物质相互接触时，因湮灭而产生的辐射压会将正反物质剧烈推开，从而急剧减缓能量释放的速度。这种效应的一个“日常生活版”很多人也许早已见过，那就是：将一滴水滴在热锅上，水会渐渐蒸发，一般来说，锅越热，蒸发就越快，可是当锅热到一定程度后，水滴的蒸发状况会发生显著变化，它会在热锅上四处移动甚至跳跃，蒸发速度则反而大为减缓。这种有趣的现象早在两百五十多年前就被一位名叫雷登弗罗斯特（Johann Gottlob Leidenfrost）的德国医生注意到了，因而被称为雷登弗罗斯特效应（Leidenfrost effect）。雷登弗罗斯特效应的物理机制是：当锅热到一定程度后，水滴剧烈汽化产生的蒸汽会在水滴与锅之间产生一层蒸汽膜，阻隔两者的进一步接触，从而急剧减缓水滴的蒸发速度。这种机制也适用于正反物质的接触，只是蒸汽膜换成辐射层而已。雷登弗罗斯特效应对反物质武器的制造是一种障碍。不过，随着苏联的解体和冷战的落幕，近乎军事“大跃进”的反物质武器研究本就很快遭到了放弃。
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到目前为止，除了基础物理研究外，反物质的主要应用领域是在医学影像方面。由于技术水平及反物质数量的稀少所限，多数其他类型的反物质应用起码在目前还是很不现实的。不过，让想象力自由驰骋的话，未来的希望总是有的。比方说，假如宇宙中存在足够规模的天然反物质源，情况就将有所不同，因为那样我们就不必为制备反物质而费心了——虽然高效而安全地收集和保存反物质仍将是极具难度的挑战。
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这就给科学家们提出了一个很大的问题，那就是：宇宙中有可能存在大规模的天然反物质源吗？
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 五、宇宙的主人和客人
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物理学家们曾经对这一问题作出过肯定的猜测。狄拉克在他的诺贝尔演讲中就曾表示，如果正反物质是完全对称的，那么宇宙中完全有可能存在由反物质组成的星球。如果将这种猜测发挥一下，那么我们还可以设想宇宙中不仅存在由反物质组成的星球，甚至有可能存在由反物质组成的生物。另一方面，在宇宙大爆炸初期的极高温条件下，正反物质的产生应该是同等可能的，从这个角度讲似乎也有理由预期宇宙中存在大量的反物质，甚至在数量上与物质等量齐观。
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