量子和粒子物理學何以解釋一切

第13章 粒子物理的創立

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派對上的不速之客

1936年,科學家已經解決了原子的結構問題,量子論也對其做出了精確的預測。上一次人們這樣信心滿滿還是在馬克斯·普朗克的燈泡實驗之前,我們相信這種事情不會再發生了。怎麽可能還需要別的東西呢?

好吧,正如我們經常引用的羅比·伯恩斯的詩句所說:“哪怕是老鼠和人類最周密的計劃,也沒有考慮到μ子場的存在。”

卡爾·安德森通過雲室中的正電子軌跡發現了反物質。這真是太棒了,但它並沒有令任何人感到震驚,因為反物質在QED的預料之中。1936年讓所有人震驚的是他在雲室裏發現的另一條軌跡,其行為幾乎與電子完全相同……除了重量是電子的200倍。

這種叫作“μ子”(渺子)的粒子性質與電子相同,能與光子場耦合,並遵循費曼圖的規則。它隻是“胖”一些,而且就我們所知,它對我們的理論來說完全是畫蛇添足。

原子中不包含μ子,因為它壽命較短,持續時間約為0.000002秒,它出現在宇宙中,但完全沒有明顯的價值。μ子場是未曾有人預測也無人尋求的新場,當諾貝爾獎得主伊西多·拉比被告知存在這樣一個場時,他非常驚愕,憤怒地大聲說:“這是誰規定的?”[1]

μ子非常重,因此具有很高的能量,就像一根蓄力的吉他弦抑製了溫和的振動,μ子場的波動可迅速將能量轉移到電子場,使重粒子衰變成輕粒子(即μ子變成電子)。

1974年,同樣的事情又發生了。馬丁·佩爾發現了一個更重的電子,τ子(也叫“陶子”),質量是電子的3,500倍,壽命甚至更短。[2]

結果表明,電子和正電子並不是獨一無二的。在這個由電子、μ子、τ子及其反物質孿生兄弟組成的粒子家族中,電子和正電子是最輕的。人們把這6種粒子統稱為“輕子”。這個詞源自希臘語中的“leptos”,意思是小。它們的存在讓人有些不安。