Независимость периода полураспада мюонов от cкорости их движения

Независимость периода полураспада мюонов от cкорости их движения

Аннотация. В статье рассматриваются процессы распада мюонов, образующихся в естественных условиях. Показывается, что вопреки общепринятому мнению, период полураспада мюонов не зависит от скорости их движения. Увеличение количества мюонов  у поверхности Земли не является доказательством релятивистского замедления времени в движущихся системах координат.

Введение

Как следует из анализа опыта Майкельсона-Морли [1], сокращение длины одного из плеч интерферометра, если такое сокращение имеет место в действительности, должно быть пропорционально величине  1 – v2/c2, а не величине (1 – v2/c2)1/2 как считается  в  настоящее время. Однако при значении коэффициента сокращения длины, равном 1 – v2/c2, преобразования Лоренца-Эйнштейна теряют какой бы то ни было смысл, так как при этом оказывается невозможным вывести обратные преобразования координат пространства и интервалов времени для перехода из движущейся системы координат в неподвижную. С другой стороны, можно показать, что сокращению длины пропорционально множителю (1 – v2/c2)1/2  (согласимся на время, что этот множитель имеет смысл) должно соответствовать такое же сокращение, а не увеличение интервалов времени, произошедших в движущейся системе координат при их наблюдении из неподвижной системы координат, иначе не выполняется принцип постоянства скорости света. Другими словами, сокращению длины тел (расстояний между двумя точками пространства) в движущейся системе координат должно соответствовать ускорение, а не замедление времени в той же системе координат. Таким образом, вопреки общепринятому мнению, нет никаких оснований считать, что замедление времени вообще имеет место  в реальной физической действительности. Тем не менее, общепринятым является мнение, что именно замедление времени соответствует реальной физической действительности. Это мнение основано, в том числе, и на анализе процессов распада некоторых нестабильных частиц с коротким периодом полураспада, например, мюонов. Посмотрим, насколько это мнение соответствует действительности.

Анализ процессов распада мюонов

Мюон представляет собой частицу с зарядом, равным заряду электрона, и массой, в 207 раз превышающего массу электрона. Период полураспада мюона составляет величину порядка 1,5 ´ 10-6 с. В естественных условиях мюоны образуются в верхних слоях атмосферы Земли на высоте порядка 106 см под воздействием космических лучей. При движении к Земле мюоны распадаются с образованием электронов и нейтрино.

Установлено, что количество мюонов, наблюдаемых у поверхности Земли, не соответствует известной формуле

N = N0e-tln2/T,            (1)

где N0 – количество частиц в данном объеме в момент времени t;

      N – количество частиц в том же объеме в момент времени T;

     T – период полураспада частиц.

Как объясняет лауреат Нобелевской премии по физике Л. Купер «Если после образования они (мюоны – В.П.) двигались бы даже со скоростью света…, то средний путь, на котором половина из них распадается, равнялся бы произведению их времени жизни 1,5 ´ 10-6 см на скорость, равную скорости света. На пути в 9 ´104 см распалось бы три четверти частиц; на пути в 1,35 ´ 105 см  - семь восьмых и т.д. Поэтому к поверхности Земли, лежащей на 106 ниже уровня образования мюонов, долетело бы очень мало частиц. Тем не менее, у поверхности Земли их наблюдают в значительно большем количество, чем можно было бы ожидать исходя из времени полураспада частиц… если частица после своего возникновения  в верхней атмосфере движется с большой скоростью относительно нас, …отрезок времени между образованием и распадом с нашей точки зрения значительно удлинится. Его точное значение определяется из выражения

(1,5 ´ 106) / (1- v2 / c2) 1/2

В результате мюоны могут достигать поверхности Земли прежде, чем они распадутся» [2].

Известно, что в момент образования все мюоны имеют приблизительно одинаковую массу, тогда как у поверхности Земли обнаруживаются мюоны с самыми различными массами, в том числе и с массами, равными массе мюонов в момент их образования. Если отдельно посчитать количество мюонов с массой, равной массе мюонов в момент их образования, то окажется, что количество таких мюонов в точности соответствует количеству, рассчитанному по формуле (1). Избыток мюонов у поверхности Земли наблюдается за счет мюонов, имеющих массу, отличную от массы мюонов в момент их образования. Возникает вопрос, каким образом у поверхности Земли оказались эти мюоны, если в момент образования все мюоны имели одинаковую массу? Ответ может быть только один – эти мюоны образовались в результате распада других, более массивных мюонов. И действительно, на различных высотах над поверхностью Земли обнаруживаются мюоны с самыми различными массами [3].

Предположим, что в момент образования масса каждого из образовавшихся мюонов в 10 раз превышает массу мюонов в состоянии «покоя».  За время N ровно половина из этих мюонов распадется с образованием новых частиц. Что же это за новые частицы? При  распаде обычных («легких») мюонов, образуется электрон и нейтрино. Так как у поверхности Земли наблюдаются мюоны с массой, меньшей, чем у образующихся мюонов, есть основания предположить, что при первом распаде мюонов образуются «тяжелые» электроны, с массой, меньшей первоначальной массы мюонов. Известно, что электрон ничем, кроме массы, не отличается от мюона. Поэтому можно сказать, что при первом распаде образуются более легкие мюоны, количество которых равно количеству распавшихся мюонов. Таким образом, при первом распаде общее количество мюонов не уменьшается, однако половина мюонов имеет массу, меньшую, чем у исходных мюонов. В результате, общее время существования мюонов увеличивается в два раза.

При следующем распаде происходит то же самое: мюоны распадаются с образованием более легких мюонов. В процессе распада какие-то мюоны успеют распасться полностью, превратившись в электроны, тогда как другие превратятся в более легкие мюоны. В результате, общее количество мюонов , достигающих поверхности Земли, окажется больше, чем это следует из формулы (1). «Релятивистское» замедление времени, таким образом, оказывается совершенно не  при чем.

Можно предположить, что при одиночном распаде «тяжелый» мюон теряет массу, равную  массе одного обычного электрона, Тогда количество  распадов, испытываемых одним «тяжелым» мюоном, будет равно

n = m / 207,

где n – количество распадов, испытываемых данным мюоном;

      m – масса данного мюона.

Таким образом, если масса данного мюона равна, скажем, 207 массам электрона, то мюон испытает однократный распад; если же масса мюона, допустим, равна 414 массам электронов, то данный мюон испытает два распада, при каждом из которых его масса будет уменьшаться на 207 электронных масс. Соответственно, время жизни такого мюона увеличится в два раза, независимо от скорости его движения.

Заключение

Наблюдаемое у поверхности Земли некоторое количество мюонов с различными массами, позволяет заключить следующее:

Мюоны с массами, большими массы таких же мюонов «в состоянии покоя», испытывают более чем однократный распад, независимо от скорости их движения.

Наблюдаемые у поверхности Земли мюоны с массами, отличными от массы исходных мюонов, образовались именно в результате такого, более чем однократного распада исходных мюонов. Именно этим и объясняется избыточное количество мюонов, наблюдаемых у поверхности Земли.

Увеличение количества мюонов, наблюдаемых у поверхности Земли, не связано с изменением периода их полураспада.

Период полураспада мюонов, как и любых других частиц, не зависит от состояния их движения.


Источники информации:

Петров В.В. О движении перпендикулярного луча в эксперименте Майкельсона-Морли. _http://n-t.ru/tp/ng/od.htm

Л.Купер. Введение в сущность и структуру физики. Том 2. Современная физика. Перевод с английского. Издателсьтво «Мир», Москва, 1974.

Сб. Мезон. Под редакцией И.Е.Тамма. Москва-Ленинград, 1947.