宇宙是什么

16. 意外发现的神秘基本粒子

  第二代以后的基本粒子存在于宇宙的形成时期，现在的地球上已经不存在这些粒子。不过，对宇宙射线的观测和实验已经确认了它们的存在。宇宙射线指宇宙空间的高能射线，它们会源源不断地到达地球。

  在第二代基本粒子中，首先被发现的粒子是“μ子”（渺子）。不过，μ子并不是在“基本粒子有第二代粒子”的前提下被发现的，而是研究者先发现了μ子，之后又对基本粒子做了分类。而且，没有任何人曾刻意去寻找μ子，这一基本粒子的发现完全是一场意外。

  1937年，美国的安德森和其学生内德梅耶发现了μ子。安德森因发现“正电子”（电子的反粒子）而获得了1936年的诺贝尔物理学奖。其实，他从宇宙射线中发现未知粒子时，曾以为这种粒子是“介子”。

  介子是汤川秀树博士在理论上预言存在的粒子。汤川博士的理论回答了“为什么质子和中子能构成原子核”这一问题。质子之间会因彼此都带正电而互相排斥，所以如果原子核中没有其他的“力”产生作用，那么原子核应该无法稳定存在。

  汤川博士构想了一种未知的新粒子，将其作为传播这种“力”的媒介。在原子核的内部，质子与中子通过交换该粒子，并在这种力的作用下紧密结合在一起。简单来说，这就是汤川理论的核心。汤川博士假设的这种未知粒子比电子重、比质子和中子轻，因此被命名为“介子”。

  安德森之所以认为他发现的新粒子是“介子”，是因为这种粒子的质量与汤川理论预言的粒子极其接近。但是，经过仔细研究后他发现，该粒子与汤川理论所说的介子性质不同。这一新粒子的质量是电子的200倍，这与汤川理论中的新粒子一致，但是新粒子的性质却与电子非常相似。研究者完全搞不明白为什么会存在这样的粒子。因此，诺贝尔物理学奖得主伊西多·拉比曾怒斥道：“是谁点了这样的东西！”

  存在的物质就是存在的，生气也没有用。不过，对于我们而言，μ子也并非无用之物。例如在对埃及金字塔的探查中，就使用了大量这种来自宇宙的粒子。

  在古老的传说中，吉萨金字塔中有一间神秘的“密室”，珍奇异宝沉睡其中。不过，即便真的存在这样的密室，我们也无法从外部看到它，而且因为吉萨金字塔没有任何通道，所以也无法进入内部调查。即便如此，我们也不能为了调查金字塔的内部情况而去破坏金字塔。在这种情况下就需要用一种“非破坏性探查方法”来探测金字塔内部是否存在中空的空间，而这种探查方法就用到了μ子。

  在日常环境中，每分钟约有1000个μ子穿过我们的身体。同样，μ子也会穿过地球上的其他物体，包括金字塔。如果金字塔内部为实心，那么μ子就会与岩石中的原子发生碰撞，导致自身数量减少。我们可以计算μ子通过金字塔之后数量减少的程度，以此来判断其中是否存在“密室”。如果存在“密室”这种中空的空间，那么μ子就不会减少。令人遗憾的是，调查结果显示金字塔内部并不存在“密室”。不过，由这件事情可以看出，物理学家发现的μ子在考古学中发挥了重要作用。

  顺便一提，现在日本东京大学正在利用μ子对火山进行观测研究。在该研究中，研究者通过调查穿过火山内部的μ子数量，来研究火山岩浆的状态。简单来说，这就像给火山做X光检查一样。由于预算上的限制，目前的研究规模比较小，不过“通过观测岩浆密度变化来预测火山的爆发期”在未来或许能实现。

  后来的研究发现，μ子与介子并非毫无关系。汤川理论预言的介子（确切地说是π介子）被发现后，介子能够衰变成μ子的性质也随之被发现。

  另外，π介子衰变时会释放出中微子，但这种中微子与中子发生β衰变时释放出来的中微子（与电子一起被释放出）是不同的。因此，这种第二代的中微子被命名为“μ子中微子”，以便与第一代的“电子中微子”区分。