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时间_[意]奎多·托内利(7 无穷小中的时间) 第(4/6)页

是什么在控制这些现象?是否有一个内部时钟?这些都不知道。我们只知道衰变是随机过程,受能量涨落控制,而能量涨落与粒子的量子行为有关。这些粒子瞬间出现又瞬间消失,100年前我们甚至都还忽略了它们,但事实证明,它们对于理解控制物质的法则至关重要。在大爆炸之后的极端条件下,就是它们充满了初生的宇宙。在实验室研究它们,就可以知道宇宙诞生之初发生了什么,以及在形成今天这些稳定物质之前它们又经历了哪些转变。最重要的是,这个不稳定而瞬息万变的世界,让我们掌握了物质基本粒子的深层对称。如果没有这些“鬼魂”的帮助,科学家就会像哈姆雷特一样,永远无法明白究竟发生了什么。

渺子勇猛的一生

渺子和电子一样是带电粒子,所以会受到电磁场的影响,但是,由于它的质量大约是电子的200倍,因此其加速度要比电子慢得多,也很少放出光子。渺子比电子更能穿透物质,穿透性仅次于不带电、只和物质有弱相互作用的中微子。渺子可以不受阻碍地穿透几千米厚的致密岩层,要想截获它们总是很难。

渺子穿透力的限制之一是它的不稳定性——它会衰变成电子和中微子。因为使其衰变的是弱相互作用,所以渺子的平均寿命相对较长,有2.2微秒(1微秒等于百万分之一秒)。这看似很短,但相对于其他不稳定粒子来说可算是长命百岁了。当它们以接近光速的速度运动时,就会变得所向披靡,也大有用途。由于渺子的质量大约相当于0.1GeV,所以加速到接近光速相对容易,这时,其平均寿命也会大幅增加。

最常见的近光速渺子来自宇宙射线,能几乎不受阻碍地穿过我们,就像看不见的细雨从四面八方而来。它们由高能质子产生,这些质子走过宇宙深空,与离地面15到20千米的大气层外层中的原子撞击而产生这些渺子。不过,若没有很强的相对论效应,这些渺子也绝不可能到达地面,就算以最高速度(光速)运动,它们也跑不过700米。但是,我们在海平面甚至地下深处的洞穴中却能探测到稳定的渺子流。这是对狭义相对论的又一有力印证。高层大气中产生的渺子中,有将近一半以99.9%以上的光速运动,因此,它们的寿命是其平均寿命的25倍,可以毫无问题地穿过16千米以上的大气层。通常在它们的参照系中,时间不会改变,衰变还是按照2.2微秒的平均寿命规律地进行,但对于从外部观察的我们来说,它们的存在时间被拉长了。这就是为什么就算我们在沙滩上晒太阳,或在日内瓦附近地下100米进行紧凑渺子线圈(CompactMuonSolenoid,缩写为CMS)(3)实验的洞穴里工作,也会有一部分渺子能来到我们身边。

我们可以想象乘着渺子飞翔,就像斯坦利·库布里克的电影《奇爱博士》中“金刚”少校乘着核弹一样,但我们要做好被这种情况下会发生的种种异象吓到的准备。现代粒子加速器中碰撞产生的渺子可达到几千GeV的能量级,相对论性的时间拉伸导致其平均寿命明显延长。LHC能产生1TeV能量级的渺子,其平均寿命约为1/50秒,这意味着如果方向合适,渺子可以畅通无阻地穿过整个地球,出现在新西兰附近的南太平洋地区。渺子中的能量冠军由最强宇宙射线产生,能量级可达到LHC渺子的100倍,它们可以存活几秒。


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