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我已經(jīng)花了三個篇幅把標準模型簡單的敘述了，但是有些人對《是什么把粒子緊緊地束縛在一起？》一文中提到的衰變和湮滅的概念并不是很熟悉，所以我再來講一講。首先， 什么是衰變？ 在原子核的衰變中，原子核會分裂成更小的核子，一大群質(zhì)子和中子被分成更小群的質(zhì)子和中子，這很容易理解。但是基本粒子的衰變不是指分裂成它的單位要素，因為“基本”意指它沒有單位要素。在這里粒子衰變談到的基本粒子轉(zhuǎn)變成別的基本粒子，這類的衰變很奇怪，因為最后產(chǎn)生的不是初始粒子一類，而是全新的粒子。 接下來我們會談到不同類型的衰變，以及在什么情況下衰變會或不會發(fā)生。。 放射性 故事要從19世紀末說起。德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)，當一束電子射到一塊金屬的時候，會產(chǎn)生一種奇怪的射線。由于這是之前從未觀測到的新射線，因此他稱之為“X光”。兩個月后，法國物理學家亨利貝克洛在研究熒光的時候發(fā)現(xiàn)，照片的底片會在一些礦石下曝光，即使你用黑紙覆蓋底片同樣的情況也會發(fā)生。貝洛克這才意識到，那些含有鈾的物質(zhì)不用提供任何能量就能發(fā)射出高能的射線。 貝克洛的實驗指出，一些自然現(xiàn)象必定是某些元素釋放出了X射線所造成的。這使人聯(lián)想到一些元素本來就不穩(wěn)定，因為這些元素會自發(fā)的釋放出不同形式的能量。由于不穩(wěn)定的原子核發(fā)生了衰變而釋放出的能量就叫輻射。 放射性粒子 科學家最終可以區(qū)分幾種非常不同類型的輻射，也就是因粒子產(chǎn)生放射性的衰變。這三種輻射分別被命名為α（阿爾法 ），β（貝塔），λ（伽瑪）。阿爾法粒子是氦核，貝塔粒子是高速電子，伽瑪輻射是高能光子。 我們可以通過磁場就將這三種輻射分辨出來（如下圖）：
阿爾法粒子可以被一張紙就擋住它的去路，貝塔粒子則需要鋁片才能阻擋，而伽瑪輻射需要鉛板。所有的放射線物質(zhì)都很危險，尤其是伽瑪射線，它有很強的穿透能力所以它是最危險的。不幸地，科學家在很多年后才知道放射性的危險性。 衰變的困惑 許多重元素看起來只是衰變成較簡單的東西，但如果仔細的觀察，這些衰變顯示出一些令人困惑的問題。 就拿鈾-238的衰變?yōu)槔?。一塊鈾-238會在4,460,000,000年內(nèi)以一定的速度衰變，一半的鈾會不見。但我們沒有辦法知道一個特定的鈾原子會在什么時候衰變；它可能在現(xiàn)在起五分鐘后衰變，也可能是一億年后。難道一個原子的衰變僅僅是根據(jù)一些概率？ 鈾-238的質(zhì)量是238.0508 u（u是原子質(zhì)量單位），它能衰變成釷（234.0436 u）和一個阿爾法粒子（4.0026 u）。細心的你可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果你用鈾的質(zhì)量減去它衰變產(chǎn)物的總質(zhì)量是0.0046 u。這就表明在衰變過程有一部分的質(zhì)量消失了?。?！為什么？？ 進入核世界 在回答這個問題之前，我們必須了解一些原子核的本質(zhì)和量子力學。 質(zhì)子帶有正電荷，且強烈的互相排斥著。一個原子核如果沒有被膠子“粘合”在一起它就會散開，這是我們在《是什么把物質(zhì)緊緊地束縛在一起》中提到過的強核力。我們可以把原子核看做是一個緊繃的螺旋狀彈簧，它代表強烈的斥力，被一個非常大的繩索固定在一個適當?shù)牡胤?，即使在彈簧中有很多儲存起來的能量，它也不能釋放出來，因為繩子實在太堅固了。 如果他能發(fā)生，他就會發(fā)生 亞原子粒子的行為不像日常生活中的物體。我們不能非常精確的說粒子一定會做什么，而只能說粒子可能會做什么。粒子像日常生活中的物體一樣移動，同時擁有動量，但是它們同時也具有波的性質(zhì)。量子力學是關(guān)于粒子理論的數(shù)學基礎，利用概率解釋粒子的行為模式。 由于粒子是類波的，我們無法同時精確的知道它們的位置和動量。只要把粒子看做是點狀的球體或許會比較容易理解，因為把粒子看做是最可能發(fā)現(xiàn)到粒子的一團模糊區(qū)域，是比較令人困惑的。 質(zhì)子和中子在原子核內(nèi)到處移動。在非常小的概率下，一個包含兩個質(zhì)子和兩個中子的混合物（它們形成一個阿爾法粒子）可能在同一個瞬間竟移出了核之外。一個較大的原子核發(fā)生這樣的概率比小原子核的大。 這樣，核內(nèi)的殘留強核力就無法把阿爾法粒子困住，它就像突然釋放的彈簧，迅速的飛離原子核。 “如果它能發(fā)生，它就會發(fā)生！”這個想法是量子力學的基礎。對于一些原子來說，在一個極短的瞬間內(nèi)存在一個允許它散開的狀態(tài)下，核就會有一定的概率經(jīng)歷放射性衰變。你不能預測什么時候一個特定的原子會衰變，但是你可以確定它在某一段時間內(nèi)衰變的概率。 半衰期 一塊鈾的核會逐漸的衰變，衰變的速率是由一塊鈾原子衰變一半所花費的時間（半衰期）測量而得的，一個鈾核的衰變是完全無法預測的，但是我們可以預測一大堆鈾衰變的情況。利用概率決定物理性質(zhì)是一個顛覆性的想法，對于這樣的一個理論，愛因斯坦表示：“上帝不擲骰子！” 消失的質(zhì)量 我們現(xiàn)在回答剛才的問題上：輻射衰變時消失的質(zhì)量去哪兒了？回想一下，我們說過當鈾衰變成釷和阿爾法粒子的時候，0.0046 u的質(zhì)量好像不見了。如果你記得愛因斯坦著名的方程E=mc^2，著名的質(zhì)能方程，它表示了質(zhì)量是能量的一種形式。當鈾核經(jīng)歷衰變的時候，一些質(zhì)量會轉(zhuǎn)變成動能（移動粒子的能量），這樣能量就依舊守恒。 粒子衰變的中介者 我們知道原子核會衰變分裂成較輕的核，那基本粒子是如何衰變成另一個基本粒子的呢？基本粒子不能分裂，因為它們并沒有結(jié)構(gòu)，但它們會變成別的粒子。結(jié)果是當一個基本粒子衰變時，它變成較輕的粒子和載力粒子（基本粒子衰變后總是得到一個W玻色子）。這些載力者隨后再度出現(xiàn)變成別的粒子。所以，粒子衰變時并不只是變成別的粒子，還有在粒子衰變時的中介載力者。 粒子通過載力粒子衰變，在許多例子中，粒子可能經(jīng)由大于最初粒子質(zhì)量的載力粒子而衰變，這中介的載力粒子很快地轉(zhuǎn)換成質(zhì)量小的粒子。這些短暫而大質(zhì)量的載力粒子似乎違背了能量守恒和質(zhì)量守恒。但是，根據(jù)海森堡的不確定性原理，如果粒子生命周期非常短的話，就有可能形成質(zhì)量較大的粒子，它們被稱為虛粒子。 虛粒子并沒有違背能量守恒，動能加上最初衰變粒子的質(zhì)量會等于最后的衰變結(jié)構(gòu)。由于虛粒子存在的時間非常短，所以不可能被觀察到。 大部分粒子的過程是由虛載體粒子傳遞，比如重子貝塔衰變、粲粒子的產(chǎn)生、eta-c粒子的衰變，我們馬上會深入探討這些。 不同的相互作用 強、電磁和弱相互作用導致粒子的衰變。但是只有弱相互作用使基本粒子衰變。 弱衰變： 只有弱力可以把基本粒子變成別的粒子，物理學家稱粒子類型為“味”，只要發(fā)射虛W玻色子，若作用力就能將粲夸克變成奇夸克（“粲”和“奇”都是“味”）和一個虛W玻色子，W玻色子會很快的衰變成質(zhì)量較小的上夸克和下夸克。只有弱相互作用（通過W玻色子）能改變味使基本粒子衰變。 電磁衰變： 一個中性的π介子是由一個夸克和反夸克組成的介子?？淇撕头纯淇藭螠缧纬蓛蓚€光子，這是電磁衰變的粒子。 強衰變： η粒子是由粲夸克和反粲夸克組成的介子，它經(jīng)過強衰變會變成兩個膠子（以強子出現(xiàn)）。強載力粒子（膠子）傳遞包含有色荷的衰變，弱載力粒子（W+和W-）傳遞使粒子改變味（和電荷）的衰變。 關(guān)于衰變的種種我已經(jīng)講了很多了，接下來我們就說說湮滅。 湮滅 湮滅自然不是衰變，但是它們都是經(jīng)由虛粒子發(fā)生的。如果你記得我之前在《世界是由什么構(gòu)成的？》一文中就警告過你，如果你遇到一個反你，千萬不要碰他/她，因為一旦物質(zhì)和反物質(zhì)粒子相遇時會完全湮滅化為能量。 它們彼此相互作用，將它們之前存在的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅；钴S的載力粒子（一個膠子、W/Z或者光子），這些載力粒子一次再變成別的粒子。 通常，物理學家為了創(chuàng)造出質(zhì)量較大的粒子而以極大的能量讓兩個粒子進行湮滅。 氣泡室與衰變 這是一張真實的反質(zhì)子氣泡室的照片（反質(zhì)子從圖片底端開始進入），和一個靜止的質(zhì)子碰撞發(fā)生湮滅，八個π介子在湮滅時產(chǎn)生。其中一個衰變成一個μ和一個ν（右下）。正和負π介子的路徑在磁場中旋向相反的方向，而中性的則沿著原來的路徑行進。 氣泡室是較老型的粒子探測器，當帶電粒子經(jīng)過氣泡室時，它們會留下極小的氣泡痕跡。 下面我們就來看一個衰變的粒子。 中子β衰變 中子（udd）衰變成質(zhì)子（uud）、電子和反中微子，這個過程就叫做中子β衰變。（β射線這個詞用于核中衰變的電子，因為它們并不知道它們是電子！） 上面是一個費恩曼圖，如果你學習粒子物理學，那你就要非常熟悉費恩曼圖?？匆幌逻@張圖，看起來并不直觀，但其實很好理解。 圖中的中子（電荷為零）表示為udd（上下下夸克）。中子中的一個下夸克之一會變成上夸克，由于下夸克有-1/3的電荷而上夸克有2/3的電荷，它會以虛W粒子帶走（-1）電荷所傳遞的過程進行。這樣電荷才能守恒！新的上夸克會從發(fā)射出的W-彈離，中子變成了質(zhì)子（uud）。虛W玻色子會產(chǎn)生電子和反中微子。最后質(zhì)子、電子和反中微子會彼此遠離。衰變的中間過程發(fā)生在約每秒一千億分之一，所以我們無法直接觀測到。 好吧，就聊到這，如果想知道更多關(guān)于衰變或湮滅的例子給我留言（因為敘述起來太冗長，這里就不多舉啦）。下次我可能會詳細的說一下希格斯粒子，或者聊聊加速器和粒子探測器。 |
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