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关于对基本粒子结构的猜想

(2011-03-11 13:14:32)
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杂谈

        关于对基本粒子结构的猜想

      

    构成原子的电子、质子很早前便已被人们发现,它们同光子一起成为最早的基本粒子。近1个世纪内,基本粒子的概念经历了几次重大的改变。1932年发现了中子,人们把电子、质子和中子看成是构成原子的基本组分。可是,随着物理学的进展,在这以后又发现了正电子和中微子。同一时期μ介子和π介子相继被发现,并陆续发现了一批共振态“奇异”粒子。随着高能加速器的能量不断提高,上百种短寿命的粒子,连同这些粒子的反粒子,数目和品种之多达到了惊人的地步。各类粒子的性质差别如此之大,使人们愈来愈体会到物质层次的复杂性了。近来,物理学界倾向于把以前称作基本粒子的物质统称为粒子(或亚原子粒子)。越来越多的物理学家认为,基本粒子的提法是不正确的,物质结构有不同的层次,最终的层次很可能不存在。

   在这许多粒子中一些是很稳定的,例如电子、质子几乎没有衰变现象。而大部分基本粒子从它们的衰变产物上看,似乎很像同一种粒子所组成的粒子团,但是从它们的运动特征上看却又都截然不同。基本粒子的结构问题一直困扰着理论物理学界。近年来,解释基本粒子内部结构的层子或夸克模型虽然在某些方面非常成功,但是,经过大量的探索却一直没有得到实验上确切的证明。 

   

 

 
关于对基本粒子结构的猜想

 

 

                                     图1 π介子、μ 介子和正电子

 

   从图1中看到π介子的结构特征是:在电子链条两边端的键的物质“喷射口”的反冲力作用方向相反,使π介子在惯性运动中做高速转动。根据π介子自转平均线速度大小和相对磁场自旋取向的不同,它在磁场中运动时的偏转方向也不同,表现为π+、π-、πO介子。实际上这三种π介子都带负电荷,不同的仅仅是它们的总自转角动量有不一样的状态。

   由于μ介子是由偶数个单电子组成的电子链条,所以,在链条两边端键的物质“喷射口”的反冲力作用方向相同。这使μ介子的表现更为奇特。由于在电子链条两边的助推力不对称,使μ介子很容易沿直线运动方向往左或往右偏斜。因此,我们只能观测到所谓μ+介子和μ-介子,而没有发现μO介子。

   当π介子或μ介子与其他粒子碰撞,或它的速度减慢时,其主要衰变方式为

 

  π0 →2γ

 

  π+ →μ+ + ν

 

  π- →μ- + ν

 

  μ+ →e+ + ν

 

  μ- →e- + ν

 

 

   此外,单个的质子由于其键的开放性,它们一般很难游离存在,所以质子团也经常是由4个或6个单质子在E平面上结合成粒子团。如果质子团的外围有电子包围,就是自由中子。中子可以衰变成质子和电子或2个γ光量子:

 

  nO→p+ + e-

 

  nO→p+ + 2γ

 

   在图1中表示的最常见的介子中,π介子是由奇数个单电子(一般是5个),在E平面上结合的不稳定电子链条。而μ介子则是由偶数个单电子(一般是4个),在E平面上结合的不稳定电子链条。正电子或负质子很可能是由3个在E平面结合的高速自旋粒子团组成。 

    当π介子或μ介子与其他粒子碰撞,或它的速度减慢时,其主要衰变方式为

 

    π0→2γ

 

    π+→μ+ + ν

 

    π-→μ- + ν

 

    μ+→e+ + ν

 

    μ-→e- + ν

 

   

 

关于对基本粒子结构的猜想

 

 

                          图2    π- → μ - → e- 衰变图

 

   粒子衰变最典型的情况见图2所示。π-介子丢掉1个单电子,可能变成μ-介子,μ-介子的电子链条闭合后又可能变成e-电子团。如果π介子电子链条的平均自转线速度大于临界速度时,则在磁场中π+介子又可能变成μ+介子后再变成e+电子团。根据前面对自转带电粒子在磁场中运动时受洛仑兹力四分量波函数的统计描述公式,可以看到,当粒子自转时,量子电磁场对称的条件也不存在。

 

    从π介子和μ介子的电子链条结构上看,上述衰变是很自然的。因为这些电子链条只能在高速运动中稳定存在,一旦速度变小了,它们马上会变成电子团或转换成2个或3个光量子辐射。所以,它们相对惯性系速度愈大,则寿命愈长。其平均寿命与相对论变换因子有关:

 

    τ=τO/√[1-(V/C)^2] (1)

 

     

    总之,虽然基本粒子种类繁多,但其中可被人们直接观测到的绝大部分都是形态各异的电子团和质子团,或是它们的混合物。因此,用磁场偏转的方法去测定某些基本粒子所带电荷可能会导致错误。因为,粒子在磁场中的偏转还与它们的总自转角动量相对磁场的取向有关。只有当我们采纳“左”与“右”的概念,才能对基本粒子的结构作出理解。

    我听到有人说一个笑话,“过去发现一种新的基本粒子, 发现者通常荣获一次诺贝尔奖. 但现在, 这样的发现应该被处以1万美元的罚款”. 笔者认为人类能观察到物质是有一定界限的--从电子到河外星云, 在这一点, 无论是从观测角度还是理论角度, 都不得不承认人类的认知水平是有限的.

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