Kann ein Proton von selbst in Elementarteilchen zerfallen, wenn seine Geschwindigkeit sich der Lichtgeschwindigkeit annähert?

Da die Energie eines Teilchens rahmenabhängig ist, ist es nicht besonders sinnvoll, die Energie eines einzelnen Teilchens an sich zu diskutieren. Der Grund dafür ist, dass man einen Referenzrahmen finden kann, in dem dieses Teilchen eine beliebige kinetische Energie hat, und da die Gesetze der Physik in allen Trägheitsreferenzrahmen gleich sind, können wir nicht zulassen, dass ein Proton in einem Rahmen zerfällt und in einem anderen weiterexistiert . Aus diesem Grund müssen die Protonen mit etwas anderem kollidieren (im Fall des LHC mit einem anderen Proton, das sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt), um eine interessante Reaktion hervorzurufen. Daher ist die interessantere zu betrachtende Größe die Energie der Kollision, die in allen Bezugsrahmen gleich ist, gegeben durch die Summe der Energien der Protonen im Schwerpunktrahmen.

Wie können wir so sicher sein, dass das Proton, wenn es immer mehr Energie gewinnt, nicht von selbst in fundamentalere Teilchen zerbricht, ohne mit einem anderen Teilchen zu kollidieren?

Nein, würde es nicht. Kein Experiment hat jemals gezeigt, dass ein freies Proton zerfällt$^1$.

Am LHC wurden Protonen auf Geschwindigkeiten von bis zu ca$3 \frac{m}{s}$kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Dies entspricht einem Lorentzfaktor von$\gamma \approx 7000$einer Geschwindigkeit entspricht$v=0.99999999c$. Aber selbst bei dieser Geschwindigkeit zerfällt das Proton immer noch nicht, und das sollte es auch nicht, da Sie immer noch einen Bezugsrahmen finden können, in dem die kinetische Energie des Protons beliebig ist. Denken Sie daran, dass die kinetische Energie eine rahmenabhängige Größe ist.

Mit anderen Worten, ist es möglich, dass das Proton, wenn die Energie ziemlich groß wird (oder wenn seine Geschwindigkeit näher an die Lichtgeschwindigkeit geht), von selbst in andere Dinge zerfällt.

Auch hier ist die kinetische Energie rahmenabhängig. Sie können immer einen Rahmen finden, dessen kinetische Energie beliebig ist. Aus diesem Grund zerfällt das Proton nur dann in andere Teilchen, wenn es mit einem anderen Proton kollidiert, das sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt.

$^1$Der Protonenzerfall wurde erstmals 1967 von Sacharow angenommen. Selbst nach vielen Experimenten wurde der Protonenzerfall nie beobachtet. Einige Experimentatoren sind zu dem Schluss gekommen, dass die Lebensdauer eines Protons größer als sein muss$10^{34}$Jahre. Das ist,$10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000$Jahre.

Für Entitäten wie Teilchen, Atome, Moleküle muss man, wenn man von Energie spricht, die spezielle Relativitätstheorie und ihre vier Vektoren verwenden.

Die "Länge" des Energie-Impuls-Vier-Vektors ist die unveränderliche Masse, die die Einheiten beschreibt

Die Energie des Protons, um das Sie sich Sorgen machen, ist$E$. Wenn kein Impuls vorhanden ist, ist das Teilchen in Ruhe, man erhält die invariante Masse,$m_0$was ein Teilchen für jeden Impuls charakterisiert. Da es also nur Grenzen für den Protonenzerfall gibt, gibt es innerhalb der Mainstream-Physik keine Möglichkeit anzunehmen, dass ein Proton zerfallen wird.

Der Impuls, mit dem es sich bewegt, ist irrelevant, die Masse darin$E=mc^2$ist die relativistische Masse, die nicht mehr verwendet wird, da sie zu solchen Verwirrungen führt.

Innerhalb der Mainstream-Physik hat der Impuls des Protons nichts mit seiner inneren Struktur zu tun. Das Proton ist in allen Inertialsystemen gleich.

Die Zerfallsraten von Partikeln müssen unabhängig vom Bezugssystem sein, in dem sie betrachtet werden (unter Berücksichtigung der Zeitdilatation). Daraus folgt, dass die einfache Beschleunigung eines Teilchens auf eine sehr hohe Geschwindigkeit es nicht veranlassen kann, schneller zu zerfallen. Wäre das nicht der Fall, dann stoßen Sie sofort auf unmögliche Widersprüche. Stellen Sie sich einen Pool von beispielsweise einer Billion Protonen vor, der hier auf der Erde stationär ist. Stellen Sie sich nun vor, sie werden von zehn separaten Beobachtern passiert, die sich jeweils mit einer anderen Geschwindigkeit bewegen, die sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt. Da jeder dieser Beobachter annehmen wird, dass die Teilchen eine andere Energie haben, würde jeder Beobachter erwarten, dass eine andere Anzahl von Protonen zerfallen ist, was eindeutig unmöglich ist.

Wenn Sie die Zeitdilatation berücksichtigen, wird die Position noch paradoxer. Während sich die Beobachter mit zunehmender Geschwindigkeit an unserem Pool von einer Billion Protonen vorbei bewegen, sehen sie die Zeiterfahrung der zu dilatierenden Protonen, so dass die Lebensdauer der Protonen durch ihre erhöhte Geschwindigkeit eher verlängert als verkürzt würde.

Mehrere Missverständnisse in dieser Frage.

1. Kinetische Energie ist eine Eigenschaft von Teilchen in einem gegebenen Koordinatensystem. Führen Sie das folgende Experiment durch: Stellen Sie sich ein Koordinatensystem vor, das sich relativ zu Ihnen mit 99,9999991 % Lichtgeschwindigkeit bewegt. In diesem Koordinatensystem bewegst du dich mit 99,9999991 % Lichtgeschwindigkeit und deine kinetische Energie ist enorm. Während Sie das Experiment durchführen, werden Sie jedoch keine Veränderung an Ihrem Körper oder Ihrer Umgebung bemerken, und die Durchführung dieser Imagination ist völlig ungefährlich.

2. Kinetische Energie ist keine innere Energie eines Objekts. Betrachten Sie die folgenden Beispiele:

   a) Du wirfst ein Stück Eis. Du erhöhst seine kinetische Energie, aber beim Fliegen passiert ihm nichts Schlimmes.

   b) Ein fliegendes Stück Eis trifft den Boden. Es kann brechen, weil sich seine kinetische Energie in andere Energieformen wie mechanische Wellen oder Wärme umwandelt.

   c) Du legst ein Stück Eis auf einen Herd und schaltest die Heizung ein. Bald wird das Eis schmelzen. Das Stück bewegt sich nicht, Sie erhöhen seine kinetische Energie nicht. Sie erhöhen vielmehr seine thermische Energie. Die thermische Energie hängt mit der kinetischen Energie einzelner Wassermoleküle zusammen, aber die gesamte kinetische Energie des gesamten Eisstücks bleibt 0.

   Die Tatsache, dass sich ein Proton schnell bewegt, ändert daran nichts. Die Quarks und Gluonen, die ein sich schnell bewegendes Proton bilden, verhalten sich genauso wie die in einem stationären. Nur wenn unser Proton mit etwas kollidiert, z. B. mit einem anderen Proton, das sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt, kann seine kinetische Energie in etwas anderes umgewandelt werden, z. B. es brechen und neue Teilchen bilden.

   Ein sich schnell bewegendes Proton ist etwas ganz anderes als das, was als angeregtes Proton oder häufiger als angeregtes Nukleon bezeichnet wird, das eine erhöhte innere Energie in Form von Drehimpuls und Spinkonfiguration aufweist. Angeregte Nukleonen können bei hochenergetischen Kollisionen wie denen im LHC entstehen und sind sehr instabil; nach sehr kurzer Zeit geben sie ihre zusätzliche Energie (in Form neuer Teilchen) ab und zerfallen wieder in den "normalen" Protonen- oder Neutronenzustand.

3. Mehrere Leute erwähnten Zerfälle. Ich denke, das ist nicht das, wonach Sie gefragt haben. Sie sprechen von einem Zerfall eines Protons aufgrund seiner großen inneren Energie, zB ähnlich wie ein Eisstück zu brechen oder zu schmelzen. Die einzige Möglichkeit, die innere Energie zu erhöhen, besteht darin, das Proton mit etwas anderem zu kollidieren. Das ist etwas ganz anderes als spontaner Verfall.

   Einige Partikel sind instabil und zerfallen nach einiger Zeit in andere Partikel. Der Zerfall von Protonen wird theoretisiert, wurde jedoch nicht experimentell entdeckt. Daher ist das Proton entweder stabil oder seine Lebensdauer ist extrem lang.

   Partikelzerfälle werden aufgrund der Zeitdilatation tatsächlich durch ihre Bewegung beeinflusst . Die Zeit vergeht langsamer für ein sich bewegendes Objekt. Beispielsweise erreichen Myonen, die durch Wechselwirkungen kosmischer Strahlung hoch in der Atmosphäre erzeugt werden, den Boden, trotz ihrer mittleren Lebensdauer von 2,2 µs multipliziert mit der maximalen Geschwindigkeit, die sie haben können, beträgt die Lichtgeschwindigkeit nur 660 m. Wenn also ein Proton tatsächlich zerfallen könnte, würde es dies noch weniger tun, wenn es sich in einem Beschleuniger mit relativistischer Geschwindigkeit bewegt.

Nein, das kann es nicht.

Letztendlich wird diese Tatsache durch Beobachtung entschieden – aber sie passt zu einer allgemeinen Eigenschaft der Gesetze der Physik, die sogar aus Umständen bekannt ist, die näher am alltäglichen menschlichen Maßstab liegen – dass Bewegung relativ ist.

Was diese Aussage bedeutet, ist das Folgende. Wenn Sie ein bestimmtes Objekt und seine Umgebung betrachten, erzeugen die Gesetze der Physik dieselbe zukünftige Geschichte (*) in der Situation, in der sich dieses Objekt bewegt und die Umgebung stationär ist, wie in einer Situation, in der das Objekt stationär ist und sich die Umgebung bewegt komplementär (dh mit der entgegengesetzten Richtung und Geschwindigkeit), vorausgesetzt natürlich, wir passen auch die zukunftsgenerierte Geschichte aus dem ersten Szenario an, um die Bewegung entsprechend zu beeinflussen, um sie in das zweite zu übersetzen.

Angenommen, es gäbe ein Teilchen mit der Eigenschaft, spontan zu platzen, wie Sie es sich vorstellen, mit einer angemessen hohen Geschwindigkeit. Nehmen wir an, wenn es der Lichtgeschwindigkeit angemessen nahe kommt (etwa 300 Megameter pro Sekunde [Mm/s]), wird es instabil und platzt nach einer kurzen Flugzeit, sagen wir 4 Sekunden. (Hinweis: Für alle, die sich mit echten Teilchenzerfällen auskennen – worauf ich später noch eingehen werde – ist dies offensichtlich „zu deterministisch“, aber ich versuche, die Dinge einfach zu halten.)

Stellen Sie sich nun vor, wie der Verlauf aussehen könnte: bei Sekunde 1 hat er 300 Mm zurückgelegt, bei Sekunde 2 hat er 600 Mm zurückgelegt, bei Sekunde 3 hat er 900 Mm zurückgelegt, dann bei Sekunde 4, gerade als sein Kilometerzähler schließlich ~1200 Mm erreicht ( etwa 3 mal weiter als der Mond!) bricht es plötzlich in einen Schauer von Quarks aus.

Nehmen wir nun an, dass dasselbe Verhalten nicht beobachtet wurde, wenn es "zu Hause bleiben" wäre. 10 Sekunden, 100, 1000 Sekunden später wäre es immer noch da, während die sich bewegenden Partikel bei 4 Sekunden und ~1200 mm Verschiebung zuverlässig einmal bei oder über, sagen wir, 99,99% der Lichtgeschwindigkeit platzen würden.

Betrachten Sie nun zwei solche Teilchen der gleichen Art, ausgehend vom gleichen Punkt. Der eine „ruht“, der andere bewegt sich „fast mit Lichtgeschwindigkeit“. Das zweite Teilchen platzt bei 4 s in, während das erste für immer integriert bleibt . Denken Sie daran, was ich oben über Transformation gesagt habe. Angenommen, ich transformiere diese Geschichte so, dass sich das „ruhende“ Teilchen jetzt mit 300 Mm/s rückwärts bewegt und das „bewegende“ Teilchen ruht. Wenn die Bewegung-ist-relativ-Eigenschaft aufrechterhalten werden soll, müssen wir eines von zwei Dingen haben:

1. wenn die Eigenschaft "Teilchen zerfällt in 4 Sekunden" aufrechterhalten werden soll, dann müssen wir in dieser transformierten Geschichte haben, dass das jetzt ruhende "Beweger"-Teilchen irgendwann platzt. Aber ruhende Teilchen können nicht platzen,

2. wenn die Eigenschaft "Teilchen ist stabil" aufrechterhalten werden soll, dann wird das sich jetzt bewegende "Zuhause"-Teilchen 100, 1000 s oder sogar viele Zeitalter des Universums später immer noch intakt sein, im Widerspruch zu der Regel, dass " nahezu Lichtgeschwindigkeit" Partikel müssen nach 4 s platzen.

Oder um es anders auszudrücken: Durch einfaches mathematisches Verschieben der Bewegungen von Dingen kann ein komplexes Phänomen wie das Aufbrechen eines Objekts in einen Schauer kleinerer Objekte nicht erzeugt oder beseitigt werden. Wenn also so etwas tatsächlich bei einer Geschwindigkeit aufgetreten ist, aber nicht bei einer anderen, können wir daraus auf unsere Geschwindigkeit schließen: Wir haben nur ein Teilchen der angegebenen Art in Ruhe bei uns, und wenn wir es vor unseren Augen zerplatzen sehen , dann wissen wir, dass wir mit 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit reisen müssen – absolut, und mit genügend Messungen dieses Phänomens können wir einen universellen Referenzrahmen extrapolieren, in Bezug auf den wir sagen können, dass alles ist.

Letztlich ist aber, wie erwähnt, die Unauffindbarkeit jedes vermeintlichen universellen Bezugsrahmens in dieser Form immer noch nur eine empirische Wahrheit. Vielleicht gibt es solche Partikel da draußen – aber wir haben noch keines gesehen, und es wird immer unwahrscheinlicher, je mehr Beweise wir bekommen, genau wie bei allem in der Wissenschaft. Und ebenso mit wissenschaftlicher Argumentation lässt uns die starke Erfolgsbilanz des Relativbewegungsprinzips dies sagen

Nach allem, was oben gesagt wurde, gibt es hier eine wichtige Subtilität, die Erwähnung verdient. Wir kennen viele Teilchen, die wie gerade beschrieben spontan „platzen“: Sie werden als instabile Teilchen bezeichnet, und tatsächlich sind die meisten Teilchen des Standardmodells instabil, ebenso wie die meisten Kompositmaterialien von Quarks mit Ausnahme des Protons und des gebundenen Neutrons bis in einen Kern (wiederum, soweit wir beobachten können!). Aber es gibt auch etwas, das wir bei ihnen beobachten können, das Sie das in Frage stellen könnte: Wenn wir, sagen wir, ein Myon nehmen – im Wesentlichen eine schwere Version eines Elektrons, das das Standardmodell liefert – das „im Ruhezustand“ in einem Durchschnitt von 2,2 zerfällt μs, dann beschleunigen wir es auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, wir werden sehen, wie es langsamer zerfälltals das - nicht schneller, aber langsamer: z. B. dauert es jetzt etwa 2200 μs, wenn es angemessen nahe ist. Bedeutet dies, dass Geschwindigkeit Partikel "stabilisiert"?

Die Antwort lautet wiederum nein: Denken Sie zunächst daran, dass wir in einem Fall überhaupt keinen Zerfall gegenüber dem Vorhandensein eines Zerfalls haben , während wir hier nur eine Verschiebung der Zeitdauer haben. Aber zweitens und umfassender können wir sehen, dass dies vollständig erklärt werden kann, indem wir die Transformation, die wir verwenden, wenn wir ruhende und bewegte Historien in Beziehung setzen, nur geringfügig komplizierter machen – dh wir müssen ein paar weitere Anpassungen vornehmen, um eine Historie in eine andere umzuwandeln Wie in dem, was ich zuvor beschrieben habe, werden die Gesetze der Physik es als wahr "akzeptieren", aber sie sind immer noch relativ einfach und, was noch wichtiger ist, universell anwendbarmathematische Transformationen, was bedeutet, dass selbst in völlig unterschiedlichen Situationen dieselbe Transformation immer noch dieselbe Physik beibehält. Dies ist eine Grundlage der speziellen Relativitätstheorie, aber der Punkt ist, dass die Gesetze der Physik immer noch eine Bewegungssymmetrie haben , nur ein wenig anders "geformt".

(*) Wenn Sie es vorziehen, können Sie sich Gesetze der Physik auch so vorstellen, dass sie bestimmte Kandidatengeschichten als "physikalisch plausibel" "verifizieren" oder nicht, und wir sagen, dass, wenn wir jede Geschichte durch einen regulären geeignet in die andere umwandeln mathematische Transformation, werden die Gesetze der Physik sie erneut als gültig bestätigen.