天天看點

為什麼基本粒子還會發生衰變

到目前為止,實體學家已經發現了25個基本粒子,它們不再由更小的粒子組成。這些粒子中的大多數都是不穩定的,它們會在幾分之一秒内衰變為更輕的粒子。但是,一個衰變的粒子怎麼可能是基本的呢?這是否意味着它是由其它東西組成的?

基本粒子還有更基本的嗎

粒子實體學的标準模型包含25個粒子,我們周圍的物質幾乎由它們的一半組成。首先是電子,然後是原子核中的質子和中子:它們是由上誇克和下誇克的不同組合構成,由8種膠子緊緊地把它們粘在一起。

為什麼基本粒子還會發生衰變

還有其它粒子,例如τ子,它與電子非常相似,隻是它比電子重約400倍。它還很不穩定,壽命隻有3×10^-13秒,然後它會衰變為一個電子、一個τ中微子和一個電子反中微子。那麼,τ子是由這三個粒子組成的嗎?當它衰變時,這三個粒子再飛散出來?

為什麼基本粒子還會發生衰變

根據我們目前所擁有的所有觀察結果,τ子并不由任何粒子組成,實體學家知道這一點有幾個原因。首先,如果τ子是由其它粒子組成的,那麼你需要找到一種方法将它們結合在一起,這将需要一種新的基本力,但我們沒有任何這種力的證據。其次,即使你想出一種新的基本力,那也無濟于事,因為τ子會以多種不同的方式進行衰變,它還可以衰變成μ子、τ中微子和μ子反中微子,也還可能衰變成τ中微子和π介子或ρ介子,還有其它可能的衰變通道。是以,如果τ子是由它衰變成的粒子組成,那麼應該有不同類型的τ子,但這與觀察結果恰恰相反。

為什麼基本粒子還會發生衰變

衰變實際上隻是一種互相作用,原則上所有這些衰變都可以以不同順序發生。讓我們還是以τ子為例,τ子可以衰變為一個電子和兩個中微子,但如果一個足夠高能量的電子撞上一個τ中微子,這可能會産生一個τ子和一個電子中微子。在這種情況下,我們就可以更加确定τ子并不是由更基本的東西組成的。

為什麼基本粒子還會發生衰變

我們上述所說的所有過程都是以τ子為例子,但這對于标準模型中的不穩定粒子來說同樣适用。

基本粒子為什麼會衰變

我們經常會聽到這樣的解釋,基本粒子衰變是為了達到最低能量狀态。但這并沒有任何意義,因為能量在衰變過程中是守恒的。事實上,這些基本粒子衰變的原因與能量無關,而與熵有關。

為什麼基本粒子還會發生衰變

一個重粒子可以衰變為幾個較輕的粒子,因為它有足夠的能量,其餘沒有進入新粒子品質的能量變成了它們的動能。但要發生相反的過程,這些粒子必須以足夠高的能量在正确的位置相遇。這是有可能的,但必須外界提供能量,否則這将是有序的自發增加,是以将是熵減少過程,這也是我們很少看到它發生的原因。總而言之,衰變是可能的,但衰變的逆過程可能性不大。

總結

衰變并不意味着衰變産物一定存在于原始粒子中,衰變隻是一種特定類型的互相作用。而且我們沒有任何觀察結果表明,基本粒子是由更基本的東西組成的,也就是說它們沒有子結構。基本粒子會衰變的原因與能量無關,而是與熵有關。