这就是为什么中子和质子的质量差很小,却能发射超重W玻色子

这就是为什么中子和质子的质量差很小,却能发射超重W玻色子
2019年09月18日 17:58 新浪网 作者 娱乐神叨叨

“提出正确的问题,往往等于解决了问题的一大半...” ——维尔纳·海森堡

我们知道中子会经历β衰变,转变为质子,这个过程中会释放一个W玻色子,而W玻色子的平均质量比中子和质子的质量差要大的多。那么问题来了,这多出来的质量从哪里来的?今天就说下量子力学是怎样促使粒子衰变的。

在标准模型中大多数粒子都不稳定

从宏观宇宙到微观世界,从我们看得见的恒星、星系或星系团到我们看不见的细胞、分子或单个原子,或者介于两者之间的任何事物,浩瀚的宇宙囊括了这一切。

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但是从基本层面上来看,万事万物都是由原子组成的,而形式多样的原子都具有相同的基本粒子。如果我们暂且忽略暗物质是什么,那么我们所讨论的已知宇宙只是下图中这些基本粒子构成的标准模型。

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在标准模型中绝大多数的粒子不能自由的存在,在自然界中也不容易找到。但是我们可以单独的观察到中微子、电子和光子,上下夸克以及胶子构成的质子、中子和原子核,这些都是很常见的,因为它们都比较稳定。

绝大多数标准模型中的粒子,包括所有较重的夸克(核子要素)、介子和τ子(第三代轻子),以及W和Z玻色子(传递弱力),从根本上说这些粒子都不稳定。事实也证明,它们的寿命不仅有限,而且与我们的宏观世界相比微不足道。这是为什么呢?让我们从一个之前已经听说过的现象开始:放射性。

β衰变中的质量差问题

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我们都很熟悉放射性衰变,其实就是重而不稳定的元素会衰变为较轻的元素。其中一些衰变很快,不到一秒钟,而另一些可能需要数十亿年,例如铀238的半衰期基本和地球年龄差不多。一些极其罕见的半衰期和目前宇宙的年龄差不多,例如:钍-232的半衰期长达140亿年。

这是因为由上下夸克和胶子组合而成的复合结构:质子和中子,最多能把一两个下夸克衰变为稍微轻一点的上夸克。这个过程需要很长的时间,因为允许这种情况发生的粒子交换是由非常重的W玻色子作为介导的弱力衰减。

这个过程是如何发生的?

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假设现在有一个中子,由两个下夸克和一个上夸克组成。中子的平均寿命约为15分钟,就会衰变为质子,质子是两个上夸克和一个下夸克。我们一般用MeV(兆电子伏或百万电子伏)的单位来测量核能,中子和质子之间的质量差略大于1MeV。[所有的质量都以自然单位给出,不考虑光速(c)的因素。]

另一方面,引起衰变的相互作用是一个下夸克转变为一个上夸克加上一个电子和反中微子对,电子和反中微子对其实就是一个w玻色子。也就是说中子到质子其实就是释放了一个弱力的传递粒子w玻色子,但是中子到质子没有足够的质量(能量)释放w玻色子;w玻色子的平均质量大约是80Gev,或者80000 MeV!上文也说到中子到质子才差了1MeV。

所以为了让这种放射性衰变继续下去,就必须依赖于量子涨落的存在,而量子涨落允许这种情况的发生,但这种情况也“比较难”发生,因为质子/中子的质量之比,与w玻色子的质量之比,相差实在太大了。

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在标准模型中的不稳定基本粒子还没有一个向中子和质子这样,有这么小的质量差。介子也是不稳定的粒子,其寿命仅次于中子,是第二长寿的粒子,它参与强相互作用,质量在重子和轻子之间故称为介子,但介子和电子之间的质量差略大于100MeV,介子的寿命只有2.2微秒。所以上文中说的“比较难”是因为其他基本粒子的寿命范围从10^-6秒短到惊人的10^-25秒!相对来说中子还是比较稳定的。

事实证明,短暂的寿命对于粒子一个非常特殊的基本性质:质量,非常非常重要。下面就要说到量子力学的基础:不确定性原理。

物质最基本性质的不可知性(时间和能量、位置和动量)

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相信大家都听说过海森堡的测不准原理,下面说两则笑话来理解这个物理学的基本原理:

海森堡正在开车,这时他看到身后有一辆警车。他把车停在路边,警察朝他走了过来。警察:“你知道你开得有多快吗?你超速了!”海森堡:“没有啊,没超速,因为我现在知道我在哪里!”

这是因为在量子力学中任何系统的位置和动量之间存在一种内在的张力,一种不确定性。你对一个粒子的位置知道得越多或测量得越准确,那么这个粒子的动量就会存在更大的不确定性!

以上就是描述位置和动量的,下面还有一则笑话用来描述时间和能量的:

海森堡和妻子正在进行夫妻心理治疗。治疗师问海森堡有什么问题,但海森堡不好意思回答。所以……医生:“夫人,海森堡,在家里有什么问题吗?”海森堡夫人叹息道:“只要他有时间,就没有精力。只要他有精力,就没有时间!”

这是因为在量子力学中能量和时间之间也有同样的内在张力和不确定性,就像在位置和动量之间一样!所以在一个特定系统的时间尺度上有一个非常小的不确定性,那么能量就必然有一个非常大的不确定性。

现在用粒子的寿命来考虑以上的问题。如果一个粒子可以稳定(或准稳定)存在很长一段时间,它的能量不确定性就很小。但是一个天生短命,非常不稳定的粒子呢?能量就会存在一个非常大的不确定性,这就是量子力学所要求的。

总结:量子力学破坏了一切

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现在让我们来看看:如果一个粒子的固有能量存在很大的不确定性,而且我们知道通过E = mc^2有一个能量和质量的等价,那么一个粒子的寿命越短,它的质量也就越不确定。

当我们了创造一个非常短命的粒子,比如w或z玻色子,一个顶夸克或一个希格斯玻色子,我们可以知道这些粒子的平均质量是多少,但是任何一个被创造出来的粒子都有它的质量范围。换句话说,当我们说“这个粒子的质量是91.187 GeV”(例如z玻色子),我们说的是所有z玻色子的平均质量值,但是对于任何一个单独的粒子其质量都会有很大的变化!

这就是为什么中子和质子的质量差很小,却能发射超重W玻色子

这就是为什么短寿命的粒子不仅有质量这种基本属性,还有一个质量范围,这代表了粒子的质量中固有的量子不确定性。这也是为什么中子和质子的质量差这么小,却能发射出一个W玻色子。依靠的就是这种时间和能量的不确定性。

但是这不能解释为什么今天的体重秤说我比昨天重了1斤,但量子的不确定性确实告诉了我们,对于不稳定的粒子,即使是质量这种基本属性,也存在着巨大的变化。这一切都归功于宇宙的量子本质!

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