Мюони – частинки, які підтверджують теорію відносності

Щосекунди тисячі космічних променів, переважно ядер водню і гелію, врізаються у кожен квадратний метр верхніх шарів земної атмосфери.
Нам достеменно не відомо, звідки вони беруться, але ми знаємо, що коли космічні променів влучають в молекули повітря, то створюють зливу інших елементарних частинок — піонів, каонів, позитронів, електронів, нейтронів, нейтрино, гамма та рентгенівського випромінювання, а такої мюонів.
Ми знаємо це, тому що в лабораторіях на земній поверхні у нас є детектори частинок, які виявляють напрямки руху та енергії цих вторинних частинок в атмосферних зливах і використовують їх для вивчення первинних космічних променів.
Але є щось захопливе у тому, що ми виявляємо багато мюонів від космічних променів тут унизу, на поверхні Землі, оскільки мюони, якщо ви створюєте їх в лабораторії, мають період пів розкладу всього лише півтори мікросекунди, після чого спонтанно розпадаються на електрон, або позитрон і нейтрино.
Грецька літера μ одночасно використовується як позначення мюона і як префікс мікро, що може трохи збивати з пантелику.
Але час життя мюонів дійсно близький до мікросекунди, тож все це чудово узгоджується.
В будь-якому разі, якщо у вас є велика група мюонів, то у вас залишиться приблизно 50% через півтори мікросекунди, 25% через 3 мікросекунди, а через 10 мікросекунд залишиться лише одна десята відсотка початкової кількості мюонів.
Мюони живуть недовго, в середньому 2,2 мікросекунди.
Для порівняння: світло, яке поширюється достатньо швидко, щоб обійти навколо Землі 7 разів за 1 секунду, проходить лише 660 метрів за 2,2 мікросекунди.
Тож навіть мюони, які рухаються майже зі швидкістю світла, не пройшли б навіть і одного чи двох кілометрів, перш ніж переважна кількість з них розпадеться.
А це набагато менше ніж 10, 20 або і 30 кілометрів, які мюони регулярно долають з верхніх шарів атмосфери до поверхні Землі.
То як мюонам вдається пройти десятки кілометрів крізь атмосферу і не зазнати при цьому розпаду в той час, як вони не повинні проходити більше ніж 1-2 кілометри?
Сповільнення часу.
Оскільки мюони рухаються на швидкостях близьких до світлової, їхній час буквально іде повільніше.
Для швидкості, що становить 99,5% від швидкості світла, 2,2 мікросекунди для них — це приблизно 22 мікросекунди для нас.
Достатньо часу, щоб середньостатистичний мюон пролетів щонайменше 6 кілометрів до розпаду замість половини кілометра.
А якщо розглянути ще швидші мюони, які з більшою ймовірністю досягають наших детекторів, маючи швидкість, що становить 99,995% від швидкості світла, то час їхнього життя буде вже 220 мікросекунд і вони пройдуть принаймні 66 кілометрів, перш ніж розпадуться.
Отже, з нашої перспективи сам факт, що стільки мюонів від космічних променів досягає земної поверхні, є прямим доказом спеціальної теорії відносності та сповільнення часу.
Але, як щодо системи відліку, що пов’язана з мюонами, у якій вони живуть в середньому лише 2,2 мікросекунди?
Ну, для них відповіддю на вгаданий парадокс є релятивістське скорочення довжини.
З точки зору мюона — це Земля й атмосфера рухаються йому назустріч на швидкості, що становить 99,995% від швидкості світла.
І довжини рухомих об’єктів буквально скорочуються множником, що залежить від їхньої швидкості.
У цьому випадку 50 кілометрів нашої атмосфери — це лише пів кілометра або 500 метрів для мюона.
І це зовсім не багато, навіть для мюона, який живе 2,2 мікросекунди.
Відносно мюона атмосфера проноситься повз нього на швидкості 300 метрів за одну мікросекунду на шляху всього лише 500 метрів, тож Земля без проблеми досягає мюона до того як він розпадеться.
І це, на нашу думку, одна з найбільш дивовижних експериментальних перевірок спеціальної теорії відносності.
Очевидне уповільнення часу, або вкорочення довжини, залежно від системи відліку, для об’єктів, що рухаються зі швидкістю близькою до світлової.
Згадані мною коефіцієнти, що обумовлюють сповільнення часу і вкорочення довжини, можна розрахувати за допомогою відповідних формул.
Навчившись їх використовувати, ви зможете взяти будь-яку потрібну вам швидкість і побачити як це вплине на поздовжні розміри та інтервали часу.