潘宁陷阱

时间:2023-11-25 04:39:03

高能的反粒子多数储存在大型加速器内部,中心温度极高,甚至远高于太阳中心温度。有没有可能将其储存在室温或更低的温度下呢?1984年,汉斯(Hans Dehmelt)成功将单个正电子储存在一个真空圆桶中,圆桶尺寸大约为半个大拇指,时间为3个月。这个过程中用到了电场和磁场的精确配合,他谦虚地将其命名为“潘宁陷阱”,用以纪念弗兰斯·潘宁(Frans Penning)。潘宁是一位荷兰物理学家,而汉斯的精巧点子正是源于潘宁。

潘宁陷阱的想法可以追溯到20世纪30年代,当时收音机里还装着真空管,电视也还在使用阴极射线管,电子学才刚刚萌芽。电流被认为像液体一样在电线中流动。将电线一端连接到强力电池的负终端(阳极),另一端接通充气玻璃管道的金属板(阴极)。这样就意味着电流穿过了气体,而此时神奇的辉光出现了。这个现象在19世纪末期首次被发现,而当时正是令人着迷的维多利亚时代。人们开始研究此现象中的原理,最终导致J.J.汤姆森发现了电子——这种电流的载体。他使用电场和磁场来驾驭束流,通过研究其响应方式,他认识到其中包含有轻质的电子,比原子更小。

如果磁场足够强,电子在其中的偏转轨道就会很小,因此可以将电子禁锢成一个很小的环流,使它们无法穿过真空管。至少,在完美的真空中会如此;如果真空管中有残留气体,电子就会撞上气体原子,脱离轨道,而电流就产生了。

潘宁灵机一动,想到利用这个效应可以来测量真空度。电流的流动或切断依赖于电压、磁场强度和管内含气量。而汉斯通过改变电压使得电流永远无法流动,电子只能在磁场内部四处溜达。他使用的阳极形状类似一个空心圆桶,底和盖与桶边分开一定角度,作为阴极。实际上他制作的是一个易拉罐大小的封闭罐子,只是“潘宁陷阱”所用的材料不是金属而是电场和磁场。汉斯首先将一个单独的电子禁锢住,并测量了它的磁特性。这个封闭循环的电子就像一个迷你的无线电发报机,不停向外发射电磁辐射,汉斯甚至将它的频率调整到了收音机可接收的范围。通过精确测量无线电波的频率,他可以将电子的磁性测量到百亿分之一的精度。这个精度远超之前,精度如此之高,使得他发现其磁性比狄拉克方程给出的要大一些。

二者的偏差量非常小,大约相差千分之一,所以之前从没有被发现,但是这种偏差却非常重要。当然,这还远远不能证明狄拉克方程是错误的,它实际上进一步验证了物理世界描述的深奥性。原因在于,狄拉克不仅创立了电子理论,而且也描述了其对电磁场的响应方式。费曼等人证明了电磁场可以自己转化成转瞬即逝的电子和正电子,这是量子不确定的诸多奇特性质之一。这些“虚幻”的粒子和反粒子在真空中的效应,意味着紧贴着电子周围的并非只是简单的空白空间,而实际上是一片火热的海洋。汉斯的实验精度极高,以至于测到的不仅是电子本身,还测到了周围真空的效应。这里我们不谈哲学,不讨论哲学上什么是电子这个问题;这依赖于你观察的细致程度。当观察足够仔细,就会看到它是如何干扰真空的,将周围的虚空世界变成充满反物质的蜂巢。理论学家一直怀疑的东西被汉斯所证实:我们生活在物质的世界中,但是真空中却同时充满了“虚幻”的反物质和“虚幻”的物质。这里的虚幻意味着它们无法具体化(也许可以解读为“非具体化”),但是当其经过物质粒子身边时,又会产生某些效应以表明它们的存在。

以上的事情发生在1973年,而10年之后汉斯成功地将一个正电子禁锢在了这个陷阱中。他将正电子禁锢了3个月,也测量了正电子的磁性质。他需要做的是将磁场方向翻转,那么带正电荷的正电子会感受到约束力,与带负电的电子之前感受到的一模一样。当他测量正电子的磁性时,发现这个值与之前电子的情况一样也升高了相同的千分之一。汉斯不仅禁锢住了正电子,还证明了它实际上是电子的一个完美的电磁镜像。