为什么大多数粒子会衰变

为什么大多数粒子会衰变

江苏张家港读者连苗民、陕西西安读者王淑惠来信说，他们都非常喜欢物理，在看科普书时经常看到粒子衰变，但却不知道为什么有些粒子会衰变、有些粒子却又不会衰变？粒子衰变遵循什么样的规律？

这确实是个很有意思又很重要的问题，涉及到一些基本的物理学原理。我们特意编译美国罗格斯大学理论物理学教授马修?斯特拉斯勒的文章，从物理学基本原理来阐述其中的原因。本文较长，拟分三期连载。

物理学家已经发现了大量的粒子，而且今后还有可能发现更多。但是大多数种类的粒子并不只是呆在地板上等待我们扫出来，我们不得不设计一些像大型强子对撞机那样的特殊机器，来发现和研究它们。为什么要这样做呢？因为除了可以构成我们以及日常生活中物体的粒子以外，大多数的粒子都会在大约百万分之一秒之后破碎（衰变）成为其他的粒子，就与我们彻底拜拜了。有一些粒子存在时间更短，甚至会小于万亿分之一秒的万亿分之一。所以科学家才不得不制造对撞机，来捕捉这么短的时间内粒子衰变的过程。

在这篇文章里，我们将用一些虽然不太恰当但是很不错的类比，来解释一下衰变为什么是大多数粒子的最终命运。

耗散现象

你可能还记得在量子世界中每个粒子都具有波粒二象性，即粒子具有波动性和粒子性，所以我们可以把粒子都看成某种波。那么粒子的衰变过程，其实就如同波的“耗散”过程。这个耗散，也可称为消散、分散、驱散、分解等。而波的耗散过程，是一个日常生活中很常见的现象，尽管你可能没有注意到。

没有什么可以天长地久，包括吉他或小提琴等乐器上的琴弦拨动时产生的声音。事实上，在产生声音前，首先要有琴弦来回振动。为啥你可以听到声音，尽管琴弦离你很远？你能听到它，是因为琴弦的振动可以使空气振动，产生可以在空气中穿行的声波并抵达你的耳朵。

那么为什么声音会逐渐消失呢？当你拨动琴弦时，你身上的一些能量就变成了琴弦振动的能量。而能量是守恒的，它既不能被创造出，也不能被销毁掉，不过它可以从一个地方移到另一个地方，或从一种形式变成另一种形式。琴弦振动的能量一点一点地消失，转变为其他的东西。有一些变成了空气的振动，从而产生了声波。有一些在摩擦中损失了，变成了琴弦以及固定琴弦的挂钩里微观分子的振动，即热能。这种从一种振动形式变为多种振动形式，并把琴弦的宏观运动的能量转变为其他各种能量的过程，就是耗散。耗散之所以能发生，是因为振动的琴弦与其他的东西有接触，具

体地说就是与空气、挂钩以及自身的内部结构有接触。

粒子的衰变也类似这种耗散过程，但是量子力学会使得事情变得不同。琴弦的振动逐渐消逝并会变成声波和微观分子的振动，而普通粒子的衰变，会突然地变成两个，或三个，或更多个轻质量的粒子。这是耗散的量子版本，它与波的耗散的本质是一样的，不过是多了一些量子属性。例如著名的希格斯粒子可以突然衰变成为两个光子，而一个Z粒子（负责传递弱核力的中性粒子）可以突然衰变成一个μ子（可看成超重版的电子）和一个反μ子。

现在来学习一些术语：可以迅速衰变的粒子被称为“不稳定”粒子；永远不会衰变的粒子被称为“稳定”粒子；需要花费很长时间才能发生衰变的粒子被称为“亚稳定”或“长寿”粒子。注意，“亚稳定”或“长寿”是相对而言的，其确切的含义要根据其他的条件来考虑。

已知的大部分粒子都会迅速地衰变，所以举出一些稳定的和长寿的粒子更为方便。自然界中永远不会衰变的粒子如下：

?电子和反电子

?最轻的中微子和对应的反粒子；

?光子和其反粒子（不过光子的反粒子还是它自己）；

?引力子（尚未观测到，而且短期内我们可能也找不到他们，尽管由它们构成的引力波可以间接地检测到）。

然后，有些粒子可能是稳定的，也可能是极为长寿的，以至于从宇宙大爆炸到现在只有一小部分发生了衰变。这些可能的稳定粒子包括：

?其他的中微子和其对应的反中微子；

?质子和反质子（注意它是一种复合粒子，它是由三个夸克构成的）；

?大多数的原子核（它们存在于我们周围许多事物中）。

其他长寿的粒子就是中子了，它们在原子核外可以存活大约15分钟，不过当中子处在原子核内的时候，存活的时间可以超过现在宇宙的年龄，可以说原子核给了中子一个稳定的家庭。

衰变的速度

是什么决定了粒子衰变的速度呢？让我们先说说是什么决定了琴弦振动的耗散速度。很显然，这个肯定是琴弦与自身以及其他事物的相互作用强度有关系。空气很容易被摆布，所以琴弦的声音可以在空气中持续很长时间。但是如果你把琴弦沉浸在装满水的浴缸里，那么它的振动会很快消亡，因为琴弦要使得水产生涟漪，会更快地消耗掉自身的能量。另外，如果要使得琴弦振动耗散得更快，你只需要把你的手指放在琴弦上，这是因为你手指上的分子吸收了它的能量。另外，你的手指作用到琴弦上的力越大，之间相互作用越强烈，琴弦振动耗散得更加快。

同样，上面的情况与粒子衰变的情况类似。某些粒子彼此之间的相互作用很强烈，另一些则比较弱。例如，光子与普通固体物质相互作用很强烈，这也是为什么地球对于光来说不是透明的；中微子与普通固体物质相互作用很微弱，这也就是为什么它可以轻松地直穿过地球。夸克彼此之间也有较强的相互作用，这就是为什么它们会聚在一起形成像质子一样的复合粒子；但是夸克与电子之间的相互作用较弱，所以电子很容易飞离夸克，这也是为什么原子中的电子可以在很远的地方围绕原子核运动。

假设某种类型的粒子（称为母粒子）可以衰变成两个或两个以上其他类型的粒子。母粒子与衰变后的粒子相互作用越强，这种类型的衰变越有可能发生，而母粒子的寿命就越短。例如，希格斯粒子与光子的相互作用很微弱，所以它衰变成两个光子的概率很低。但是它与W粒子（负责传递弱核力的带电粒子）的相互作用很强，所以它应该很容易衰变成为W粒子，事实上也的确如此。

所以现在你就知道了粒子衰变背后的基本原理，不过是你日常生活中常见的现象――振动的耗散――的量子版本

而已。你现在也知道了耗散的速度与振动物体和其他事物之间相互作用有关，类似地，粒子更容易衰变出与它作用较强的粒子。但这并不是故事的全部。量子力学影响粒子衰变的细节之处，还是很不直观，与我们日常生活的经验相去甚远。