粒子物理14｜汤川秀树预言π介子，μ子现身宇宙线你小时候玩过积木没有？没玩

你小时候玩过积木没有？没玩过积木也应该用砖块搭过房子吧！好，那我们现在想象一个这样的场景，当你买回来一套积木以后，费了九牛二虎之力终于把它们拼在了一起，搭建了一个漂亮的房子。
但是最后却发现，还剩下一块积木没有用到，你研究了一会，就发现这块积木是其中一块积木的放大版，也就是说，剩下的这块积木跟其中一块积木的样子一模一样，感觉像是重复了，区别是剩下的这块积木更重一点，体积更大一点，和其他积木看起来不协调。

文章图片
这时你肯定会认为，这块积木一定是多余的，它不应该存在，肯定是在生产的时候被混了进来，随后你又买了几套积木，却发现每一套都是这样的，这你就解释不清楚了，你说一个不应该存在的东西，为什么它却真实的存在。这就是我们宇宙的真实情况，造物主就是生产积木的那个人，多余的那块积木就是我们今天的半个主角μ子。
要说μ子，还得从π介子说起，要说π介子，我们就必须先提到核力，这前面文章我们已经说了，在查德威克1932年发现中子以后，这人们就想，你说这是哪种力量可以抵抗质子之间的静电斥力，把它们黏在一起，那没过多久海森堡就说，我认为：把原子核黏在一起的力，是质子和中子交换电子产生的。
这个说法根本没站住脚，很快就被实验给否定了，因为人们发现质子和质子之间没有电子，但是他俩之间的作用力，跟质子和中子之间的作用力一样强。所以人们就认为核力跟电荷没有关系，而是一种比电磁力强得多的新型力，所以就将这种力称为强力。

文章图片
到了1935年的时候，日本的汤川秀树就说，传递核力的粒子确实不是电子，因为我发现这电子太轻了，传递核力粒子需要比电子重200到300倍，这是一种我们以前从来没有发现的粒子，由于它的质量介于轻子和重子之间，所以就叫它介子，在随便拿出一个希腊字母，就叫π介子。
所以现在核力传递过程现在就变成了，一个中子发射一个π-介子，变成了质子，然后一个质子吸收这个π-介子，变成了中子，那么在发射和吸收π-介子的过程中，就交换了作用力，就将核子黏在了一起。
先不管这个过程对不对，那问题是汤川是怎样知道，传递核力的粒子需要比电子重两百多倍的？这是最关键的问题。
大家还记不记得在量子力学中有一个测不准关系，这是两个共轭变量必须满足的关系，比如能量和时间就是两个共轭变量，因此ΔEΔt≥?/2
ΔE是能量的不确定范围， Δt是时间的不确定范围，如果π介子作为传递核力的粒子，那么它传播的最大范围就是原子核的尺度，大约是10^-15米。
如果π介子诞生以后的速度接近光速，那么我们就能知道它在原子核内存在的时间大约为10^-15米/C ， C是光速，这个算出的就是π介子存在的时间的不确定范围。
现在我们知道了Δt ，那就能根据测不准关系，算出ΔE的不确定范围，因此汤川就估计出π介子的质量大约是电子的200到300倍。
这汤川还说，不光有π-介子，还有π0和π+介子，其中π0是负责传递中子和中子之间的作用力的，因为两个中子不带电，所有就需要一个中性粒子π0.
π+传递的是质子和质子之间的作用力，因为两个质子都带正电，所以需要一个带正电粒子π+介子，这就是汤川秀树对π介子的预言。