安德森本科就讀於加州理工學院，在畢業前的1927年就開始了雲室研究。在1930年遞交的X射線光量子空間分佈主題的博士論文中，也包含了雲室研究相關內容。[1]完成博士學位學習後不久，密立根建議這位年輕的物理學家發揮自己在雲室方面的專業知識，研究由進入地球大氣的「初生」γ射線釋放出的微粒輻射能量。[2]密立根希望這些實驗可以為宇宙光子的初始能量提供較吸收實驗中所獲的更佳的數據。正如當時密立根由奧本海默的信中瞭解到的一樣，入射光子能和吸收之間的關係並不清晰。密立根一定也曾期望過，安德森在雲室實驗中觀察到的次級電子能夠顯示出假設的、初始宇宙射線光子的能帶結構。[3]
為了得到測量值，安德森製造了一台強力電磁體，其中可以裝配雲室（見圖3.2）。[4]雲室感光片很快開始產生正粒子。1931年11月3日，他向密立根報告了這一發現，並評論稱結果表明了「正粒子和電子的存在，說明核衰變由宇宙射線引起」。他認為這些正粒子是α粒子或質子，通常情況下，正粒子和電子會同時自原子核中噴射出來。最後，安德森報告了「至少一個實例中出現了三種粒子的同時噴出」。在信件的最後，安德森展望了未來的研究，斷言稱「頭腦中立刻出現了對這些效應具體細節的百種疑問……這個領域內有希望獲得巨大的收穫，毫無疑問，一個基本性質的許多信息將從中產生。」[5]
1932年，安德森和密立根共同發表了首次宇宙射線雲室實驗的研究結果。[6]兩人認為，正粒子是質子，是核衰變的產物。由此，在康普頓散射效應和光電發射之後，他們引入了對物質吸收射線過程的新解釋。密立根之所以能認可原子核在光子吸收過程中的作用，在部分程度上可能是聽取了奧本海默信件中的評論意見。但是，兩人發表的原子核結構相關探討文章仍然具有嚴格的非量子力學性質。兩人保留了原子核的可視化理念：電子和質子被束縛在一起，因為高能光子的作用產生偶然釋放。若密立根對原子相關的新型量子力學研究懷有反感之情，則他將保持對原子構建理論的忠誠性。在共同論文的結尾處，作者重複了密立根在1926年的主張，在此基礎上添加了對觀察到的核衰變的評論：「簡言之，就一切情況而論，假設軌跡產生原因是質子或電子，那麼在所有觀察到的碰撞中，十分之九產生了能量，能量的範圍在愛因斯坦公式計算結果和原子構建假說結果之間。」密立根對自己的理論深信不疑，以至於他推測另外「十分之一」的、216兆電子伏特（MeV）以上的「次級」質子和電子可能原本就明顯具有能量，只是在雲室湍流中消失了而已。[7]安德森在回憶錄中寫道，他曾強烈主張存在更具能量的粒子，但是主張的結果以失敗告終。[8]
之後不久，安德森最大程度地減少湍流，改善雲室內的光照情況，成功獲得了更為清晰的感光片。較佳的曲率和電離密度的測量值說明，他可以更為精確地確定粒子的能量。從安德森的手冊《軌跡目錄1-947》（Track Catalog 1-947）中，我們可以瞭解到他對每張雲室感光片的最初印象。他最初的興趣點單純在於技術層面：軌跡是否足夠長（到可以被測量的程度）？彎曲程度是否「過度」或「不足」？若粒子能量較低，並因磁場作用產生「過度」彎曲，則安德森僅僅能判斷它是否是質子。若軌跡可測量，則他可以研究粒子的特性：軌跡之間是否「具有關聯」？它們是「噴射」過程嗎？可以穿透鉛嗎？具有散射性嗎？[9]
在沖洗感光底板時，安德森開始猜想光電離現象說明了正粒子較質子要輕，但是他和密立根在數據解釋的問題上產生了不一致。安德森辯稱，正粒子質量較輕說明它們是上行的負電子，這與它們的光電離結果相符，但是密立根認為「人們都知道宇宙射線粒子是下行而非上行的」，因此粒子是下行的質子。為了解決這種經常出現的「熱烈討論」[10]，安德森在雲室中放置了一塊鉛板，粒子在經過鉛板時會損失一些能量，同時顯示其離開方向，在該方向上曲度也會增加。
1932年8月2日，安德森在儀器中安裝了6毫米厚的鉛板，使用1600安培電流泵激磁體，然後拍下了20張照片。按照順序他一張張地加上了備註：「碰撞？」、「穿透鉛板？」、「自鉛板向下噴射？」、「能量降低」、「自鉛板向上噴射？」可測量的軌跡僅是一少部分，在「備註」欄鑒定文字的後面大多數都帶著問號。在75號軌跡（見圖3.5）感光片上，安德森第一次在軌跡編號邊標注了星號，選中了「可測量」欄後，又填上了兩個星號，這樣寫道：「*穿透鉛板（thru Pb.）表示能量改變或雙噴射。*」雙噴射說明實驗結果可以這樣解釋：正粒子和負粒子同時釋放，釋放方向相反。兩種可能性均說明安德森所面對的是一種新的基本物質。
圖3.5 1932年8月2日安德森所做的正電子實驗，75號感光片。安德森在軌跡記錄中寫道：「穿透鉛板（thru Pb.）表示能量改變或雙噴射」。這表明他開始對兩種可能性進行考慮：一是正電子由下至上運動，在經過鉛板時失去能量；二是光子使一個正電子和一個負電子由原子中噴射。第二種可能性清晰地闡明了，安德森的思考並非基於狄拉克的電子對理論。來源：Institute Archives，California Institute of Technology.
在之後的幾周裡，安德森繼續搜尋更多的結果，發揮了雲室相關的研究經驗，挑選出可用的軌跡，雖然他仍然無法解釋這些不可用軌跡的來源：「中部色線並非軌跡」、「鉛板上兩條異常色線」、「有問題的色線」等。有時他可以對背景軌跡的出現原因進行解釋：「電離化過重，散射效果較差，可能是質子。」一些有效的軌跡由於難以測量（曲率「較小」），被安德森明確摒棄了。1932年8月27日，他將180號結果認作是兩個相關聯的可測量結果，包含「噴射」並標記為「正+負電子」，記錄中顯示出了一定的確信度。兩天後，他將253號軌跡注上星號，標記為圖像清晰而具可測量性，肯定是「（三級過程）導致的兩次次級」過程。
在這樣的準備基礎上，安德森在當年9月1日撰寫了一篇簡短的文章，並投稿給《科學》（Science）雜誌。文章中介紹了三條軌跡，提供了對軌道的其他解釋方法，但他認為這些方法在小質量正粒子假說面前都會黯然失色。比如，他對75號軌跡進行了詳解，提出了四種分析法，其中的後兩種是全新的、不值得考慮的，故而在他的筆記中沒有呈現。四種分析分別為：１正粒子穿透鉛板；２噴射兩種粒子，一是電子，一是小質量正粒子；３20兆電子伏特的電子通過鉛板時獲得40兆電子伏特；４兩個相互獨立的電子軌跡（在完全偶然的情況下）處在完美的位置，看起來類似於穿透軌跡。前兩種分析支持新型粒子的存在，第三種分析違背了能量守恆定律，而最後一種在「概率基礎」上「可能性極低」，而且光電離排除了質子的可能性，因此安德森對帶有電子質量的正粒子這一分析表示贊同。[11]
在之後的幾個月裡，帕特裡克·布萊克特和朱塞佩·奧基亞利尼（Giuseppe P.S.Occhialini）對安德森的結論表示肯定。[12]卡文迪什實驗室的研究人員認為，正電子觀點與狄拉克電子對觀點間具有自然的符合性，即真能高能光量子產生一個正電子和一個電子，並非像密立根和安德森所稱的那樣——粒子是由原子核中噴射出來。
問題的關鍵並不在於理論在一組實驗中發揮了作用，而在另一組實驗中則恰好相反。當然，安德森使用了初誕生理論來推進實驗，通過質子與電子間的不一致來刺激鉛板。即便是安德森筆記中使用的「噴射」的分類範疇也反映出了原子核及其組成部分的觀點。但是，安德森同當時的其他英國物理學家不同，對狄拉克的相對論性量子力學高級理論未加考慮。
然而，安德森觀察到的正負電子數目幾乎相同，因此很快就瞭解並暫時接受了布萊克特和奧基亞利尼對正電子來源的解釋——電子對觀點。[13]但是，對密立根的研究方向還是有必要進行肯定的，在1933年6月提交的論文中，安德森以這樣的鼓勵之語作為結尾：
海平面初級宇宙射線束……存在於大部分的光子中，這是密立根教授多年以來一直持有的觀點，現在又出現了另外的支持性事實：已發現ThC」的硬γ射線同宇宙射線一樣會產生正電子。[14]
正如預想的一樣，密立根對此表示贊同。但是他對狄拉克的電子對觀點仍不認可。1933年，密立根主張「（正負電子）軌跡均是在原子核衰變時即時出現的」。[15]這裡並未涉及狄拉克的理論。密立根簡單地引用了安德森的能量測量值，作為初級宇宙射線是光子的「最完整證據」[16]：安德森已然證明了絕大多數的被測粒子帶電小於6億伏特，這一結果同「初誕生」光子觀點是匹配的。
由多個方面看來，密立根理論貌似可以同新發現以及之前的一系列成功成果互相融合。另一個成功也貌似可以歸功於初誕生理論：密立根使用配備有自記錄式驗電器的氣球進行了試驗，氣球最高昇至16千米高空。密立根在1931年11月的巴黎演講中斷言，此次測量說明了電離率在9至16千米範圍內達到最大值，「若穿透大氣層的射線是（γ）射線，則這正是我們所期待的。γ射線在與其次級射線達到平衡之前必然會穿透一定的大氣厚度」。[17]
在高層大氣中電離作用的程度具有上限，因此密立根部分結論的出現也是必然。若大氣層中的粒子通量達到峰值，則初始射線一定產生了次級射線。然而，在數年間這一點雖然並未被接受，但初始射線是質子而非光子。另一個具有高度爭議性的觀點支持了密立根的光子主張：他的研究小組並未發現「緯度效應」的證據。地球周圍環繞著磁場，磁場超出了大氣層的範圍，延伸至宇宙空間中去。因此，若初始宇宙射線粒子帶電，它們將會自近赤道緯度向兩極方向偏轉。反而言之，若像密立根認為的那樣，初級粒子是（中性的）光子，則將不會出現這樣的地理變異。密立根和他的同僚們多次試圖對「緯度效應」進行測試，比如將馬尼托巴省丘吉爾市的宇宙射線通量同加州帕薩迪納市的通量進行對比。直到1931年，他們還是未能發現緯度效應「一絲一毫的證據」，密立根再次慶祝了原子構建假說的成功。[18]但是亞瑟·康普頓並非如此。
密立根和康普頓的關係由友好變為整個世紀最激烈的公開科學爭論的雙方。由密立根一方的資料文件看來，很明顯兩個人都捲入了爭論之中，甚至對彼此的科學篤實性進行了詆毀中傷。兩名諾貝爾得主被捲入「狗咬狗的混戰」（密立根有時這樣稱呼這次爭論）之中，觀戰的新聞媒體從這樣的景象中取樂，將其登載為頭版新聞。[19]為了趕超密立根及其同僚的緯度效應研究，康普頓同一個開展大型宇宙射線密度地理考察的小組進行合作。在投稿給《物理評論》的通訊文章中，[20]他們宣稱，緯度效應確實存在並且十分強烈，排除了密立根的觀點：所有海平面帶電粒子都是地球大氣中的次級產物。[21]
康普頓的挑戰並不是密立根面臨的唯一難題。1929年，瓦爾特·玻特（Watther Bothe）和沃納·科赫斯特（Werner Kolhorster）進行的實驗可能對初誕生理論造成了毀滅性的影響。[22]兩人並未將關注點集中在不同位置的驗電器的放電率上，而是希望直接發現射線的本質。為了這一目的，他們利用了最新發明的蓋革-穆勒計數管，它本質上是一個大型的柱形電容器，其中含有一個空心圓柱體傳導器，沿中軸帶有導線。計數管和導線間具有高電位恆差。當帶電粒子穿過空氣時，部分原子產生電離。由於導線和管壁之間的電勢梯度，離子迅速開始移動，使碰撞到的部分原子被電離。在離子產生傳遞效應時產生了大量電流，儀器開始放電。隨後會出現電流浪湧，可以通過驗電器等途徑表現出來。
玻特和科赫斯特計劃使用兩枚蓋革-穆勒管，分別連接到一台驗電器上，管之間用金塊隔開。若計數管同時放電較預期隨機放電情況更頻繁，則明確證明單個帶電粒子通過了中間的鉛板。獲得這一結論的首要困難在於，對兩台驗電器的簡單觀察所能提供的時間分辨率較差。然而，1929年玻特和科赫斯特對他們的數據十分相信，認為自己已經證明了宇宙射線中包含穿透性的帶電粒子。
在此可以發現將玻特和科赫斯特稱為「μ介子發現者」的依據。需要注意的是他們的論證戰略遠大，後文中我們還將多次瞭解到這一點。其中存在著一種背景或模仿過程——此種情況下表現為獨立粒子「偶然」觸發計數器時的可測量率。實驗者說明了符合計數率超過偶然率，證明了它們的信號蓋過了背景。在後文中，我們將看到其他的物理學家們在新的背景條件下重新進行「已終結」的研究案例，這些案例並不是由獨立事件引發的。
20世紀20年代末，在佛羅倫薩進行研究工作的布魯諾·羅西對這一來自德國的結論表示了贊同。羅西對玻特和科赫斯特的研究產生了興趣，他來到了玻特的實驗室，努力對他們的實驗進行改進。[23]羅西在技術上的獨創性貢獻是真空管電路，僅在向電路同時施加兩次或更多脈衝後，該電路會釋放出一次脈衝。[24]這正是宇宙射線研究中需要的儀器，在改造之後，「符合電路」成為了實驗物理學中使用最為廣泛的工具。羅西將三個計數管連接到了符合電路上，使得只有具有垂直路徑的帶電粒子才能使三個計數管放電，由此記錄儀器記下該事件。通過插入不同數量的鉛板，他得以對德國結論進行再次確認，確定性大大提高：某些粒子穿透了1米厚的鉛板。[25]
微粒宇宙射線這一激勵性觀點和伴隨而來的計數器實驗對密立根而言是一種詛咒。「兩年以來我一直在指出，」1933年2月他進行了這樣的抨擊，「以我的判斷而言，這些計數器實驗從未真正測出任何物質的吸收係數。」[26]因此，該年年末羅西獲得了研究結論後，密立根一直想要以公開發表的形式進行回應。
1933年12月，安德森與密立根通力合作，撰寫了對計數器-微粒學說的反駁文章。[27]在文章中，羅西發現次級粒子是在初始粒子穿過時出現的；次級粒子同初始粒子的不同之處在於其穿透程度較為平均，約為1厘米。（回顧一下會發現，憑借這一事實初始粒子可以被認為是一種新型粒子，次級粒子被認作是電子。鑒於各種原因，這一確認花費了近五年時間。）安德森和密立根也意識到了次級粒子簇射的存在。他們連同當時的博士後學生尼德美爾（Seth Neddermeyer）和研究生皮克林（William Pickering），將該事實同這一重要的實驗觀察聯繫起來：粒子簇射的數量增多至多能穿透約1~1.5厘米的鉛板。這一點在別處也很容易進行確認。但是，這四位加州理工學院的作者繼續推斷，粒子簇射的數量會隨著鉛板厚度的繼續增加而增加。四位科學家總結稱，羅西發現的巧合：
總體而言，並非由一個帶電粒子穿透兩個計數器和中部鉛板引起的，很可能是由這一機理引起的：光子沿著運動路徑或在路徑附近陸續釋放大量的不同種類粒子，這些粒子幾乎同時對兩台或更多驗電器產生不同的作用，這才是觀察到的巧合現象的產生原因。[28]
為了鞏固己方立場，幾位物理學家重申了密立根之前曾多次援引的、早於量子力學理論的原子核結構觀點：正電子和電子位於原子核中，受到γ射線的碰撞後會噴射出來。他們稱實驗中發現的負粒子大大多於正粒子，因此實驗對相對論性量子力學產生了不利影響。他們曾表示：
正如布萊克特和奧基亞利尼所解讀的一樣，（這一發現）貌似與狄拉克理論（電子對產生於入射光子）很難相容，強烈地指明了某種核子反應的存在，在反應中原子核的作用不僅僅是催化劑，而是更加活躍的角色。[29]
由此，密立根的宇宙射線觀點之上籠罩了兩朵烏雲。首先，狄拉克的電子對理論與之前的物質粒子吸收理論產生了矛盾，布萊克特和奧基亞利尼的研究明確地支撐了狄拉克的觀點。[30]其次，計數器和符合電路在玻特、科赫斯特以及羅西的實驗裝置中具有基礎性的作用。由於電子對理論的影響，密立根在實驗結論和能帶理論間獲得的一致性變得不堪一擊。與之相反的實驗說明了宇宙射線對物質的深層穿透力，對密立根海平面宇宙射線為光子的觀點構成了威脅。
安德森、密立根、尼德美爾和皮克林對羅西、狄拉克、布萊克特和奧基亞利尼的研究進行了多方面的挑戰，這也是密立根理論最後的堅持，雖然密立根本人一直沒有放棄，在生命的最後時光裡仍不懈地進行著理論改進。在密立根等四人的論文中，對密立根過去十年間一直強調的觀點進行了最後一次重申：非量子性原子核、核電子和光子是初始宇宙射線的組成部分。但是他們構建的堡壘中正面臨著多處坍塌。在之後的幾個月裡，狄拉克的電子對、緯度效應、高能電子和穿透微粒的觀點均得到了廣泛的認可。不久後，連安德森也公開背棄了密立根的初誕生理論假設。
註釋
[1] Anderson，thesis（1930）.
[2] Anderson，「Early Work，」Am.J.Phys.29（1961）：825.
[3] Anderson，「Early Work，」Am.J.Phys.29（1961）：825.
[4] Anderson，「Positive and Negative，」Phys.Rev.44（1933）：406-416.
[5] Anderson to Millikan，3 November 1931，MC，roll 23，file 22.3.
[6] Millikan and Anderson，「Energies，」Phys.Rev.40（1932）：327.
[7] Millikan and Anderson，「Energies，」Phys.Rev.40（1932）：327.
[8] Anderson.「Positron，」in Brown and Hoddeson.Birth（1983）.亦見1982年安德森的訪談。
[9] 卡爾·安德森的私人文件被安德森收集在加利福尼亞理工學院，參見Anderson，「Track Catalog 1-947.」關於湍流，參見1966年韋納對安德森的採訪；副本收錄在紐約美國物理學會。
[10] Anderson，「Early Work，」Am.J.Phys.29（1961）：826.
[11] Anderson，「Positives，」Science 76（1932）：238-239；Anderson，「Electrons，」Phys.Rev.44（1933）：406-416.
[12] Blackett and Occhialini，「Photographs，」Proc.R.Soc.London，Ser.A 139（1933）：699-720.
[13] Anderson，「Electrons，」Phys.Rev.44（1933）：406-416.
[14] Anderson，「Electrons，」Phys.Rev.44（1933）：415.
[15] Millikan，「New Techniques，」Phys.Rev.43（1933）：662.
[16] Millikan，「New Techniques，」Phys.Rev.43（1933）：662.
[17] Millikan，「Rayons，」Annales de l'Institut Henri Poincare3（1932）：452.
[18] Millikan，「Rayons，」Annales de l'Institut Henri Poincare3（1932）：452.
[19] New York Times，5 February 1933，1，cited in Kevles，Physicists（1978），242.
[20] Compton，「Geographic，」Phys.Rev.43（1933）：387-403.
[21] 因為主要光子可能會擊倒來自星際物質的電子，密立根後來聲稱他的理論也承認某種程度的緯度效應。正如他在1932年11月底給康普頓的信中所言，「在沒有以任何形式修改我曾經寫的任何東西的情況下，我能夠承認一些赤道緯度效應的可能性，這樣，加上無自相矛盾的實驗結果，我們才能出現在大眾面前。」參見Millikan to Compton，30 November 1932，MC，roll 23，file 22.18.。儘管如此，直到1936年，密立根才評論了內爾的結果「即使根本沒有緯度效應，但也要使它看起來有，有一點點也是可以的。」參見Millikan to Neher，12 September 1936，MC，roll 24，file 22.15。內爾曾經是密立根在加利福尼亞理工學院的博士生學生，在1936年時，成為物理講師。
[22] Bothe and Kolhorster，「Hohenstrahlung，」Z.Phys.56（1929）：751.
[23] Rossi，interview，5 September 1980.
[24] Rossi，「Counters，」Nature 125（1930）：636.
[25] 羅西的成果總結參見「Korpuskularstrahlung，」Z.Phys.82（1933）：151-178.
[26] Millikan，「New Techniques，」Phys.Rev.43（1933）：663.
[27] Anderson，et al.，「Mechanism，」Phys.Rev.45（1934）：352-363.
[28] Anderson，et al.，「Mechanism，」Phys.Rev.45（1934）：352
[29] Anderson，et al.，「Mechanism，」Phys.Rev.45（1934）：363.
[30] Blackett and Occhialini，「Photographs，」Proc.R.Soc.London，Ser.A 139（1933）：699-720.