Физика частиц нашла уже целую гору вроде бы элементарных частиц, и их может быть ещё больше. Но большинство из этих частиц не лежат спокойно на полу в ожидании, пока мы их подметём. Нам нужно было построить особые аппараты, такие, как Большой адронный коллайдер, чтобы произвести их, открыть и изучить. Почему? Потому, что большинство из них – за исключением тех, из которых состоим мы сами, и парочки других – разваливаются (распадаются) на другие частицы за малую долю секунды. На самом деле малую – по сравнению с ней миллионная доля секунды кажется вечностью. Некоторые из них выживают в течение всего триллионной от триллионной доли секунды, или даже меньше!
В данной статье при помощи неплохих, хотя и несовершенных, аналогий, я собираюсь дать вам пару объяснений по поводу того, почему распад – неизбежная судьба большинства элементарных частиц.
Вы можете вспомнить, что волны в квантовом мире состоят из частиц; звуковые волны из фононов, световые из фотонов, и т.п. Или можете просто принять это как данность и продолжить чтение.
Распад для частиц – это как рассеивание для волн, и с этим эффектом вы наверняка хорошо знакомы.
Ничто не вечно, включая звук задетой струны на гитаре или удар по ноте ксилофона. А волне предшествует вибрация. Гитарная струна или нота ксилофона вибрирует, перемещаясь туда-сюда. Почему вы слышите звук, хотя струна далеко от вашего уха? Вы слышите его, поскольку струна, вибрируя в воздухе, заставляет вибрировать сам воздух, и создаёт волны, перемещающиеся через воздух и доходящие до ваших ушей, заставляющие ваши барабанные перепонки колебаться туда и сюда – и ваш мозг превращает это движение в восприятие музыкальной ноты.
Почему же звук струны постепенно умирает? Когда вы задели струну, вы потратили немножечко сил, и часть использованной вами энергии превратилась в энергию вибрирующей струны. Энергия сохраняется – она не создаётся и не уничтожается, хотя и способна перемещаться с места на место и менять свою природу. Понемногу энергия, проявляющаяся в виде колебаний струны, пропадает, преобразуясь в другие вещи. Часть её теряется на вибрацию воздуха, на звуковые волны. Часть теряется на трение, а, следовательно, на тепло, то есть на микроскопические вибрации молекул в струне и в удерживающих её колках. Это преобразование одного типа вибрации во множество других и передача энергии от крупномасштабного движения вибрирующей струны в другие места называется рассеиванием. Рассеивание происходит потому, что вибрирующая струна соприкасается и взаимодействует с другими объектами, в частности, с воздухом и колками, а также потому, что у неё есть внутренняя структура.
Частицы распадаются примерно по такой же схеме рассеивания, но тут уже работает квантовая механика, что всё меняет. Вибрации струны постепенно исчезают, превращаясь в широкие звуковые волны и колебания толп атомов и молекул, а типичная частица может распасться на две, три, максимум четыре легковесных частицы. Это просто квантовая версия рассеивания – идея та же, но с квантовой особенностью.
К примеру, частица Хиггса может внезапно распасться на две частицы света (фотоны); Z-частица может внезапно распасться на мюон и антимюон.
Быстро распадающиеся частицы называются нестабильными; частицы, которые никогда не распадаются, называются стабильными. Частицы, которые распадаются очень медленно, часто называют метастабильными или долгоживущими – но эти термины относительные, и их точное значение зависит от контекста.
Мне тут пришлось немного схитрить. Явление распада частиц в квантовом мире действительно похоже на рассеивание волн. Но в качестве примера рассеяния я описал похожее и знакомое вам, но не совсем то явление, которое отвечает за большинство распадов частиц.
Почти все частицы, известные нам, распадаются – и многие очень быстро. Из стабильных частиц нам в природе известны только следующие:
• Электрон (и антиэлектрон);
• Самые лёгкие из трёх типов нейтрино (и их античастицы);
• Фотон (сам себе античастица);
• Гравитон (который пока не нашли и в ближайшее время этого не предвидится, хотя гравитационные волны уже обнаружены).
Также есть частицы, которые, возможно, стабильны, но скорее всего, просто долгоживущие – и их время жизни настолько большое, что только малая их часть могла распасться со времён Большого взрыва. Среди них:
• Другие нейтрино (и антинейтрино – дальше античастицы я упоминать не буду, это будет подразумеваться);
• Протон (не являющийся элементарной частицей);
• Многие ядра атомов.
Ещё одна достаточно долго живущая частица – нейтрон, которая сама по себе, вне атомного ядра, живёт около 15 минут. Но нейтроны внутри атомных ядер могут жить дольше возраста Вселенной. Ядра обеспечивают им стабильное жилище.
Что определяет скорость распада частицы? Давайте посмотрим, что определяет скорость рассеивания волн вибрирующей струны. Это должно быть связано с тем, с какими объектами взаимодействует струна (воздух, колки, сама с собой) и с тем, насколько сильно она с ними взаимодействует. Воздух гонять легко, так что струна может звучать долго. Но если вы дёрнете струну, опущенную в ванну с водой, её вибрации затихнут гораздо быстрее, поскольку струна, создавая волны в воде, израсходует вибрационную энергию быстрее. Вы сами можете ускорить рассеивание, прижав палец к краю струны. Вы почувствуете, как атомы и молекулы вашего пальца будут поглощать эту энергию. Поскольку вы сильнее других объектов взаимодействуете со струной, именно вы определяете, как исчезают вибрации. Чем сильнее вы давите на струну, тем сильнее вы взаимодействуете с ней, и тем быстрее затихает звук.
То, что работает при рассеивании волн, работает и при распаде частиц. Некоторые виды частиц сильно взаимодействуют друг с другом, некоторые нет. К примеру, фотоны сильно взаимодействуют с обычной твёрдой материей, поэтому Земля непрозрачна для света. Нейтрино взаимодействуют с материей очень слабо, поэтому они обычно пролетают Землю насквозь. Кварки сильно взаимодействуют друг с другом, поэтому они всегда находятся внутри таких композитных частиц, как протоны. Но кварки взаимодействуют с электронами очень слабо, поэтому электроны улетают от кварков – и поэтому в атомах орбитали электронов находятся на относительно большом расстоянии от протонов и нейтронов, составляющих крохотное ядро атома.
Допустим, частица одного типа (родительская) может распасться на две или более частиц других типов. Чем сильнее взаимодействие между этими типами частиц, тем больше вероятность распада – и тем такой распад более распространён, и тем меньше время жизни родительской частицы. К примеру, частица Хиггса очень слабо взаимодействует со светом, поэтому её распад на два фотона происходит редко. Но она гораздо сильнее взаимодействует с W-частицами, и если она достаточно тяжёлая для того, чтобы распасться на две W-частицы, она делает это почти всегда.
Так что теперь вы знаете, что основы физических процессов распада частиц – это квантовая версия того, что вы видите в окружающем мире: рассеивание, происходящее через вибрации. Теперь вы знаете, что скорость рассеивания связана с силой взаимодействия вибрирующего объекта с другими; аналогично, частицы, взаимодействующие сильнее, обычно и распадаются быстрее тех, что взаимодействуют слабее. Но это ещё не полная картина. Квантовая механика влияет на распад частиц неинтуитивным образом, не совпадающим с нашим повседневным опытом, и отвечает за то, что некоторые частицы вообще не распадаются или делают это медленно. К счастью, этих свойства можно описать в виде набора довольно простых правил.
Комментарии (27)
mas
20.05.2017 21:00Когда мы говорим, что нейтрон распадается за 15 минут (или любая другая частица за соответствующее время) — это время полураспада? Т.е. из 100 миллионов нейтронов через 15 минут останется примерно 50 миллионов, а ещё через 15 минут — 25?
dead_undead
20.05.2017 21:09+8Не совсем, время жизни — это период полураспада делёный на натуральный логарифм двойки.
tau=T/ln2. Эта величина показывает, за какое время число частиц изменится в e раз. Казалось бы нафига нужна такая неинтуитивная величина, но она просто входит в закон распада
N=N0*exp(t/tau)
Время жизни квантовомеханической системы
Mad__Max
21.05.2017 19:37Да, зависимость такая, только период полураспада около 10 минут. А это время жизни как выше написали, практически тоже самое разница на фиксированный коэффициент.
Удобно оно тем, что представляет именно среднее ожидаемое время жизни любой произвольно выбранной частицы(в реальности для конкретной частицы оно может быть практически любым от нуля до бесконечности, но для достаточно большого кол-ва частиц или повторений опыта будет стремиться к этому значению).
А так же в расчетах удобно использовать — например если у нас есть Х каких-то нестабильных частиц, то чтобы определить количество частиц распадающихся в единицу времени достаточно разделить это количество X на ее время жизни.
vanxant
21.05.2017 00:11+8Перевод не очень. По-русски в физике говорят рассеяние, а не рассеивание.
Статья вообще никакая, ибо на вопрос в заголовке (почему распадаются?) вообще не отвечает. Максимум на вопрос «как».
Ответ на вопрос «почему» даёт второе начало термодинамики, одна из формулировок которого звучит как «все системы стремятся к минимуму (собственной) энергии». Под собственной энергией здесь понимается энергия объекта в его собственной системе координат (относительно которой он неподвижен, соответственно его кинетическая энергия равна нулю). Так вот, сумма собственных энергий протона, электрона и нейтрино меньше, чем собственная энергия нейтрона — поэтому последний на них и распадается.
Delics
21.05.2017 13:23+1Гравитон
Уважаемые физики, поясните, пожалуйста, какой «Гравитон» всё время хотят найти физики из научпопа, если гравитация — это изменение геометрии пространства?
rombell
21.05.2017 13:33+1Предполагается, что гравитация квантуется, иначе её не состыковать с квантовой механикой. Вот это самый гравитон, квант гравитации, и упоминается.
А что искривление пространства — не противоречит, вроде как.
TheShock
21.05.2017 19:06То есть кривизна не плавная, а состоит из граней, как любой объект в какой-либо 3d-игрушке?
choupa
21.05.2017 19:27+2Существуют разные подходы к квантовой гравитации. Один из них — петлевая гравитация — несколько напоминает ваше описание.
Но есть также «наивное» квантование слабых гравитационных полей. Пространство считается непрерывным, но для гравитационных волн применяют корпускулярно-волной дуализм, рассматривая последние как частицы гравитоны, для которых Е=h?. Именно такие гравитоны имеются в виду в контексте статьи.
rombell
21.05.2017 19:33+2В некоторых теориях КТГ — да. Собственно, предполагается, что и пространство квантуется где-то в районе планковской длины.
Greendq
21.05.2017 18:15Хмм, а когда протон лишили статуса элементарной частицы?
Jeka_M3
21.05.2017 19:17+3Да вроде не лишили ещё. Хоть протоны (а также нейтроны) и состоят из кварков, они считаются составными элементарными частицами. Процитирую википедию:
Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы[2]. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, в том числе частицы, составляющие ядро атома — протоны и нейтроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента.
norlin
22.05.2017 12:17Гравитон (который пока не нашли и в ближайшее время этого не предвидится, хотя гравитационные волны уже обнаружены).
Простите за физически неграмотный вопрос, но: если у нас в отдельно взятой Вселенной корпускулярно-волновой дуализм и всё такое, то обнаружение волн разве не равно обнаружению частицы? или как?
odin_v_pole
22.05.2017 14:22+1Подозреваю, что чтобы говорить о гравитации как о частице, нужно задетектить ее поведение именно как частицы — мало ли, вдруг принцып дуализма действует не для всех. А как я понял, пока у нас проблемы даже в построении более-менее внятной теории гравитации.
Хотя мой ответ, наверное. еще более дилетантский чем ваш вопрос.
DoNotPanic
22.05.2017 14:35Я так понимаю, что дуализм ещё надо показать. В случае с э/м волнами это уже сделано, например. Есть волновые явления, вроде интерференции, а есть квантовые: фотоэффект (можно узнать энергию отдельного фотона), давление света (можно высчитать импульс), также знаем, что фотон не обладает массой покоя. В случае с гравитацией волну нашли, а вот энергию отдельной частицы — нет. И вот нахождение энергии любой частицы-гравитона (не покоя, надо полагать. Массы покоя у него в теории тоже нет) и будет считаться обнаружением частицы. При том, что должно быть ясно: в данной конкретной конфигурации гравитационной волны меньшая «порция» (квант) энергии невозможна.
Также прошу извинить, если не очень грамотно )
black_semargl
23.05.2017 14:20+1Как понимаю, сам факт того что тела вращались с уменьшающимся периодом — свидетельствует о том, что гравитационные волны уносили энергию.
А не просто изменение направления вектора притяжения
kauri_39
22.05.2017 15:53-4Нет, не равно. Гравитация — исключение из прочих взаимодействий частиц, где есть частицы-переносчики взаимодействий. Всем частицам присущи волновые свойства, есть волна — есть порождающая её частица. Но в отношении зарегистрированных квадрупольных гравитационных волн это не работает.
По моему дилетантскому представлению, гравитационное взаимодействие тел осуществляется не путём обмена между ними некими гравитонами, а путём их прижимания друг к другу внешним для всех них более плотным и быстро расширяющимся эфиром/вакуумом. В физике есть понятие плотности энергии вакуума и есть понятие его космологического расширения. Очевидно, это взаимосвязанные явления: чем больше плотность этой среды, тем выше скорость её расширения.
Это подтверждается высокой скоростью расширения среды в момент рождения Вселенной, когда она имела гораздо большую плотность, чем сейчас. Соответственно, чем меньше плотность, тем меньше скорость расширения. Вокруг массивных тел плотность энергии вакуума меньше — пропорционально массе тел.
Об этом говорит меньшая частота фотонов, излучаемых атомами цезия в атомных часах — то самое "замедление времени", следуемое из ОТО. Но тогда и гравитацию можно представлять не только как искривление пространства вокруг массивных тел, а как постоянный поток внешнего более плотного эфира/вакуума в сторону массивных тел, вокруг которых плотность этой среды постоянно ниже.
Почему ниже — это отдельный разговор. Скажем так, в частицах материи кванты пространства/вакуума/эфира переводятся туда, где они находятся и находились до образования пространства нашей Вселенной. Но материя поглощает пространство, и поэтому пространство постоянно и с ускорением свободного падения притекает к материи. Именно такое представление гравитации использовали для поиска излучения Хокинга, моделируя горизонт событий чёрной дыры. В качестве квантов пространства в модели выступали ускоряемые лазером охлаждённые атомы рубидия, движущиеся в сторону "сингулярности".
norlin
22.05.2017 17:57+1Идея эфира, в том или ином виде, выдвигается по любому поводу и каждый раз оказывается несостоятельной.
А "материя поглощает пространство" – это вообще за гранью, ИМХО.
Но гравитацию легко обосновать всякими такими штуками при условии, что время – ускоренное движение, без введения каких-либо эфиров и прочих "поглощений пространства".
kauri_39
23.05.2017 20:13-1Я не идею эфира выдвигаю, а идею некоторых свойств среды, которую можно называть разными терминами, в том числе и вакуум. Просто мне удивительно и неприятно, когда физики называют физическую среду "пустотой" по латыни. Поэтому и пишу здесь "эфир/вакуум".
Ну не нашли физики век назад эфир по своим тогдашним его представлениям. Ну поспешили они с отменой этой среды. Так теперь ни у кого нет сомнений в её существовании, почему же продолжают называть её пустотой? Лишь прикрывают свой "вакуум" прилагательными — "физический", "космический".
Вот им награда за свой конформизм: проблема космологической постоянной — значения плотности этой среды. В ОТО она немногим больше нуля, а в КТП немногим меньше планковской плотности. Вот это действительно "за гранью". И природа гравитации им до сих пор не известна.
Без "поглощения пространства" не обойтись, иначе у вас Вселенная всегда будет получаться как кролик из шляпы фокусника. Потому что поглощение материей среды подразумевает некое дополнительное измерение, в которое "перекачивается" поглощаемая среда. Не накапливаются же кванты эфира/вакуума (эфироны) в частицах материи. Вот это измерение и можно считать источником новых квантов среды, которые постоянно поступают в наше 4-мерное пространство и вызывают его расширение без снижения плотности. Из него же 14 млрд лет назад случился массовый "выброс" этих квантов, образовавших пространство нашей Вселенной.
А ваше представление гравитации открывает путь к решению других физических проблем? Или решение каждой проблемы требует введения своей сущности?
grayich
Потому что никаких частиц нет, а есть «осколки» эфира.
Из эфира породилось, в эфир и вернулось)
dead_undead
TheShock
А почему распался эфир?
grayich
распался не эфир, а вихорные образования(протоны, нейтроны и т.п.) из него.
mammuthus
hdfan2