Мюоны и теория относительности⁠⁠

Этот пост подготовлен по материалам Youtube канала minutephysics, который давно с увлечением смотрю.

Вольный перевод на русский язык мой. Картинки из видео. Ссылка на оригинальное видео внизу.

Каждую секунду огромное количество космических частиц (по большей части ядра атомов водорода и гелия) бомбардирует верхние слои атмосферы Земли.

Нам доподлинно неизвестно, откуда они прилетают, но мы знаем, что когда одно такое ядро врезается в молекулы азота или кислорода, из которых, в основном, состоит наша атмосфера, от удара разлетаются осколки – элементарные частицы- пионов, каонов, позитронов, электронов, нейтронов, нейтрино, гамма-излучение и мюоны.

Мы знаем это, потому что на поверхности Земли в лабораториях стоит много детекторов частиц, которые могут измерить направление движения частицы, а так же их энергию. Мы изучаем эти частицы, чтобы лучше понимать природу космических лучей.

В процессе наблюдений есть одна странность – детекторы фиксируют большое количество мюонов. А эта частица не живёт долго – её период полураспада всего 1,5 микросекунды (полторы миллионных секунды), а затем она спонтанно распадается на электрон или позитрон и нейтрино.

Это значит, что если у вас есть кучка мюонов, то через 1,5 микросекунды их останется лишь 50%, через 3 микросекунды – 25%, а через 10 микросекунд останется лишь 0,1% от общего количества мюонов. Да, они не долгожители. Средняя продолжительность их жизни 2,2 микросекунды.

Чтобы понять, насколько это мало, возьмём скорость света для сравнения – свет за одну секунду может пройти расстояние, равное семи земных экваторам, но за 2,2 микросекунды он пройдёт лишь 660 метров!

Это значит, что даже если мюоны летят практически со скоростью света, они не могут проникнуть в нашу атмосферу глубже, чем на 1-2 км, прежде чем большая часть их распадётся. Это много меньше, чем десятки километров, которые мюоны обычно проходят в плотных слоях атмосферы до поверхности Земли.

Тогда почему же наши детекторы их регистрируют? Как же объяснить этот парадокс?

Объяснение простое: релятивистское замедление времени. На скоростях, близких к скорости света, например при 99,5%, 2,2 микросекунды растянутся для мюонов почти в 10 раз, а этого уже достаточно, чтобы пролететь около 6 км. А если мюон имеет ещё большую энергию и летит со скоростью 99,995% скорости света, то, в среднем, мюон будет жить уже 220 микросекунд, что достаточно, чтобы покрыть уже 66 км.

Это с нашей точки зрения.

А что же с точки зрения мюона? Ведь с его точки зрения, это Земля и её атмосфера движется навстречу ему со скоростью 99,995% световой, но тогда и расстояние, которое ему предстоит преодолеть, буквально сократится в 100 раз, и 50 км превратится в 500 метров, преодолеть которые он вполне успеет за свою короткую жизнь.

Всё относительно:

Это одно из самых элегантных и наглядных экспериментальных подтверждений теории относительности А. Эйнштейна.

Оригинальное видео: The Muon Paradox (англ.)