基本粒子的运行方法 这种基本粒子如何做到

当我们在白天伸出手掌对着天空时，不仅有电子、离子和分子会撞到手上，因为地球上存在空气；而且还有光子也会与手相撞，因为有太阳光。

然而，如果没有相对论机理，还有一些能够撞上手的东西是不可能存在的，那就是μ子（渺子）。μ子与电子相类似，只是μ子比电子更重、更不稳定。每一秒钟，大约有一个μ子会通过手掌。这些μ子是由宇宙射线在上层大气中产生的。μ子的平均寿命仅为2.2微秒，那么，这是否意味着它们的行进距离不可能超过100公里呢？毕竟，光速是最快的速度，μ子的速度不会比光速更快。不过，爱因斯坦的相对论可以让这样的事情发生，我们的手掌就能证明这一点。

我们无法通过肉眼来看到单个亚原子粒子，因为可见光的波长不受那些穿过我们身体粒子的影响。但如果用100%的乙醇制造出一种纯蒸汽，当带电粒子穿过这种蒸汽时，它们就会留下痕迹，即使是人类的眼睛也能直接看到。

当一个带电粒子穿过乙醇蒸汽时，它会在乙醇粒子上电离出一条路径。由于这条轨迹的长度和持续时间都足够长，所以是肉眼可见的。并且轨迹的速度和曲率（在外加磁场的情况下）甚至可以告诉我们，它是什么类型的粒子。这一原理首先以云室的形式应用于粒子物理学。

今天，普通人也可以很容易建造一个云室。只要把烟雾探测器上的感应装置放到云室里，将会看到粒子从它的各个方向发散出来，并在云室里留下痕迹。

这是因为感应装置有一个电离室，其中含有放射性元素，比如镅-241，它们会通过发射α粒子而衰变。α粒子就是氦原子核，由两个质子和两个中子组成。由于这种衰变的能量较低，并且α粒子的质量较高，所以它们运动速度较慢，还会拐弯，容易在云室中产生可观测的痕迹。

在这样简单的云室中，α粒子轨迹并不是唯一可以看到的东西。事实上，即使在云室中不放任何的粒子发射源，仍然可以看到粒子轨迹，并且这些轨迹大多是竖直的，看起来非常直。

这其实是宇宙射线。撞击地球大气层顶部的高能粒子，会产生级联粒子簇射。大多数宇宙射线是由质子组成的，只是它们的运动速度和能量各不相同。高能量粒子会与高层大气中的粒子发生碰撞，从而产生质子、电子和光子等粒子，但也会产生不稳定、寿命较短的粒子，比如π介子。这些粒子簇射是固定目标粒子物理实验的一个标志，它们也自然地出现在宇宙射线中。

π介子存在三种类型——带正电、带负电和电中性。对于一个不带电的π介子，它会在一亿亿分之一（10^-16）秒的极短时间内衰变为两个光子。而带电π介子的寿命更长，约为一亿分之一（10^-8）秒)。当带电π介子衰变时，它们主要衰变为μ子。μ子是点状粒子，类似电子，但质量是电子的206倍。

μ子也是不稳定的，但它们是已知寿命最长的不稳定基本粒子。由于μ子的质量相对较小，它们的平均寿命可达2.2微秒，远高于其他不稳定的基本粒子。根据牛顿力学，μ子一旦被制造出来，它们最多只能行进大约660米，因为光速是上限。然而，这就引出了一个难题。

如前文所述，如果我们伸出手掌，大约每秒会有一个μ子穿过。然而，由于μ子只能存在2.2微秒，并且它们大都是在距离地面大约100公里（最低为30公里）的高层大气中产生，那么，它们怎么可能到达我们的手掌呢？

μ子的运动速度接近光速，我们是在一个相对静止的参照系中观察它们，我们可以测量μ子的运动距离、寿命。即使我们假设μ子的运动速度是光速，它们也不可能在衰变前行进1公里。

根据相对论，不稳定粒子所经历的时间，并不像外部观察者所测量的那样。不同参照系拥有不同的时间流逝速率，当运动参照系的速度接近光速时，时间就会变慢。对于以亚光速相对于我们运动的μ子来说，它们的时间会膨胀，这意味着地球参照系观测到的μ子寿命要长于2.2微秒。

从μ子的参照系来看，时间是正常的，所以根据它自己的时钟，它只能存在2.2微秒。但与此同时，在运动方向上，还会发生长度收缩。

如果一个μ子以光速99.999%的速度运动，那么，在它的参照系看来，地球参照系的660米只有大约3米长，地球参照系的100公里看起来只有450米。根据μ子的时钟，它从地球高层大气运动到地面只需大约1.5微秒的时间，所以寿命只有2.2微秒的μ子可以到达地面。

注意，μ子没有超光速，在它的参照系中，1.5微秒运动450米完全正常。在计算速度时，需要选择对应参照系的距离和时间。

没有相对论，这是无法解释的。根据相对论，在高速运动（接近光速）的情况下，时间膨胀和长度收缩的影响会变得十分显著。正因为如此，每秒钟大约会有一个μ子穿过我们伸向天空的手掌。