聊粒子-介子和μ子的发现

31 1月

原子的体积已经很小了,原子核的体积只有原子的几千亿分之一。原子核内部的密度极大,这么小的原子核却占了原子的99.96%的质量。1立方米的原子核,质量将达到100万亿吨,参照中子星。

究竟是什么力量让原子核内部的质子和中子如此紧密地待在一起?

肯定不是引力,因为引力力量太小。

肯定不是电磁力,因为质子带正电,中子不带电,它俩是互相不来电的。而且质子和质子间应该同性相斥,有的重元素的原子核里有100多个质子,能让这么多个质子和中子紧密挤在一起的力量,物理学家们起名叫“强力”

强力是人类发现的四种基本作用力之一(另三个分别是:万有引力,电磁力,弱力)。

顾名思义就是力量很强,能将不来电甚至互斥的多个质子和中子聚在一起形成致密原子核。

强力是短程力,力距在10^-15m内,轰击质子,只要能将质子轰出原子核范围,强力立即消失,质子就会高速逃逸。打个比方,短程力就像一个大力士,一旦你近身被大力士抓到就再也跑不开了,但你只要不靠近大力士就没事。

反之例如万有引力和电磁力就是长程力,你离的很远也会受到力的影响,只不过影响太小你无感而已。

全世界又一窝蜂开始研究强力究竟是怎么形成的。

第一个给出答案的是日本物理学家汤川秀树(1907-1981)

汤川秀树出生在一个日本小康家庭,从小就是学霸。1922年爱因斯坦到日本访问,当时广义相对论刚被普遍接受,爱因斯坦受到了日本空前的欢迎,整个行程就像是摇滚明星般凯旋式的游行。

爱因斯坦的这次访问对两位16岁的少年产生了深远的影响,一位是汤川秀树,另一位是后来量子电动力学的奠基人之一朝永振一朗(1906-1979)1965年的诺贝尔物理学奖得主

汤川秀树考入了日本京都大学物理系,毕业后留校任教,开始研究强力。

目前已知的四种基本作用力都还只是人类观察世界后总结出来的现象结果,但这四种力的成因至今不知道。

苹果掉地上是因为万有引力,这只是现象,为何会有万有引力?不知道。

电磁力也是,同性相斥,异性相吸只是现象,背后原因是什么?不知道。

当时量子力学大佬海森堡提出了交换力的概念,给出了电磁力形成的貌似合理的理论解释。

电磁力通过交换光子来实现力的相互作用,交换的是虚光子,看不见的。打个比方同性相斥就是,两个带正电的A和B,A发一个光子打B,B也发一个光子打A,A和B就这样互相伤害,越打越远。

弱力靠间就靠W粒子和Z粒子来传递力的相互作用,以后再说。

引力理论上靠引力子来传递力的相互作用,但引力子至今没有被发现。

这些也都只是一种假设,并没有得到证实。

汤川秀树受到交换力解释的启发,强力也是通过交换基本粒子来相互作用的。

一开始假设是交换电子,但受到了仁科芳雄(1890-1951)的反对,就是提出克莱因-仁科方程的人。因为电子质量太轻,如果是交换电子,不可能产生这么强的强力。

1934年汤川秀树受到了费米的《试论β射线理论》的启发,为何要在已知粒子中找,万一强力间交换的是一种新粒子呢?

1935年汤川秀树预言了强力间通过交换一种新粒子来让质子和中子们结合在原子核内。要达到强力这么大的力,新粒子的质量应该是电子的200倍左右,质量介于质子与电子之间,所以新粒子叫“介子”

为何这个新粒子至今没被发现?汤川秀树解释是因为介子寿命非常短,只有10^-7s左右。

汤川秀树因此获得了1949年诺贝尔物理学奖,这是日本的第一个诺贝尔物理学奖,之后日本就一发不可收拾。

后面的事情都是老套路,只要有人提出个新理论或预言个新粒子,肯定是一堆人跳出来反对,直到某个人说找到了,人们才开始接受新理论新粒子。

因为汤川秀树不是爱因斯坦这样的大佬,所以他发表论文预言新粒子也没啥人关注。

汤川秀树开始自己搜寻各种实验数据,看到了安德森(1905-1991)的论文,就是那位赵忠尧先生的同学,在云室里研究宇宙射线发现正电子,并获得1936年诺贝尔物理学奖的安德森。

1936年安德森就发现云室里的粒子轨道照片中,有一个轨迹有点可疑,能量大速度快。于1937年发表论文,要么现在理论不对,要么就发现新粒子了。这篇论文被汤川秀树看到了,数据一看这不就是我预言的介子么。

汤川秀树就给美国和英国寄论文说:美国的安德森已经在实验中发现了我预言的介子了。但都给退回来了,最后只在日本国内发表了他的论文。

而且那时正值二战前夕,风雨飘摇,研究强力的事就这么搁置了。汤川秀树自己可没闲着,进一步研究安德森的实验数据后发现,理论值和实验值有点对不上。

他预言的介子的寿命是是10^-8s,但实验中介子的寿命是10^-6s。而且根据实验值推算,实验中的介子和物质间作用十分微弱,不可能提供强力这么强的力。

实验中的介子更像一个大电子,更主要的是它还真能衰变成一个电子。当实验中的介子射入物体后就衰变成一个电子,放出两个中微子。

当时人们称为“介子佯缪”,即介子的理论和实验不符合。

给出“介子佯缪”解释的是汤川秀树的学生坂田昌一(1911-1970)

坂田昌一于1942年说,实验中的介子是另一种介子,和汤川秀树预言的介子是两码事,提出“双介子理论”:汤川秀树预言的介子会迅速衰变,衰变后产生实验中的介子并放出一个中微子。实验中的介子又可以缓慢衰变,变成一个电子放出两个中微子。

1947年英国物理学家鲍威尔(1903-1969)通过实验真就发现了双介子的演变过程。

鲍威尔的导师就是发明云室的威尔逊,威尔逊是卢瑟福的学生,所以鲍威尔也是卡文迪许实验室的后起之秀。

鲍威尔将感光乳剂放到热气球飞到天上,干扰就少很多,有一组轨迹就记录了双介子的衰变过程。

汤川秀树通过理论计算预言的介子是“π介子”,寿命是2.6*10^-8s,质量是电子的273倍。

安德森实验中发现的介子并不是介子,现在被叫做“μ子”,寿命是2*10^-6s,质量是电子的207倍。

汤川秀树预言的介子和坂田昌一的双介子理论都被鲍威尔证实了,鲍威尔因此获得了1950年的诺贝尔物理学奖。

汤川秀树因预言了介子,获得了1949年的诺贝尔物理学奖。安德森的实验虽然发现了μ子,但他之前正电子已经得过奖了,所以没给。坂田昌一遗憾没有获奖。

现在可以总结一下了:

汤川秀树预言的介子是π介子,参与强力。

安德森实验中发现的不是介子,是μ子,不参与强力。

虽然π介子和μ子同时被发现,两个很像,但归根结底不是同一个东西,所以出现了“介子杨缪”。

坂田昌一的”双介子理论“,解释了“介子杨缪”,理论上给出了π介子和μ子间的演变过程。

最后安德森在实验中验证了”双介子理论“的演变过程,证实了π介子和μ子的存在。

第一个证明μ子不参与强力的,是我国的张文裕先生(1910-1992),曾在卡文迪许实验室留学,也是卢瑟福的学生,中科院院士,是我国高能物理实验的开创人之一。

张文裕先生不但证明了μ子不参与强力,还发现它和电子很像,在1948年成功地将μ子替换成了原子中的电子,新合成的原子叫μ原子。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注