為什麼有些粒子不衰變？

儘管世界上有很多種類的粒子，但是它們大多數在遠小於一秒之內就衰變了。但是為什麼一些類型的粒子從不衰變？或者為什麼有些粒子衰變極為緩慢，其壽命甚至超過了當前宇宙的年齡（138億年）？

自然界中已知的穩定粒子包括電子、最輕的中微子、光子，以及引力子（理論假設的粒子，尚未檢測到），以及它們所對應的反粒子。其他的中微子，還有質子、許多的原子核以及其對應的反粒子，可能是不穩定的，但是它們非常非常長壽。例如質子，自從宇宙大爆炸到現在，也許只有很小的一部分發生了衰變，其餘大部分的質子會繼續穩定地存在下去。至於中子，它在原子核之外只能存活大約15分鐘，之後就會發生衰變，但是在原子核內部的中子壽命卻十分長，其壽命甚至超過了當前宇宙的年齡。最後，我們應該提到，如果暗物質也是由粒子構成的話，那麼它們也必須是穩定的或者非常長壽的。

為什麼這些粒子是穩定的或者非常長壽呢？這就是守恆定律在起作用。所謂「守恆定律」，指的是任何物理過程中一些物理量會保持不變，這樣的物理量包括能量、動量、電荷等等，其對應的定律有能量守恆、動量守恆、電荷守恆等等。另外，還存在著一些近似的守恆定律，指的是某些物理量很少會發生改變。

把這些守恆定律和粒子的基本性質結合起來，就可以得到一組簡單的規則。這些規則足可以完美地解釋一些粒子為什麼不能衰變，或者很長壽。下面將列舉一些很重要的規則。

1）粒子必須衰變成兩個或兩個以上的粒子。

宇宙中的每一次衰變，都是一個粒子變成兩個或兩個以上的粒子。其原因不過是任何物理過程都要使得總能量和總動量保持不變，也就是要遵循能量和動量守恆定律。如果你感興趣，下面則是這個規律論證的過程。

假設一個I型粒子可以衰變成為II型粒子，然後就沒別的了。讓我們來看看它的矛盾之處：把I型粒子靜止地放在你的面前，根據愛因斯坦的質能關係公式，它的所有的能量只有來自它質量的能量（稱為靜止能量，下面簡稱靜能）。現在假設它衰變為II型粒子。根據能量守恆定律，則

I型粒子的靜能 = II型粒子的靜能 + II型粒子的動能

我們都知道動能在任何時候都是正的，或者是零，那麼II型粒子的靜能必然要小於或等於I型粒子的靜能。如果II型粒子的靜能要小於I型粒子的靜能，那它的動能是正的，這就意味著II型粒子必須得移動。但是開始的時候I型粒子是靜止的，那麼這意味著開始時是沒有動量的，而II型粒子得移動，說明之後是有動量的。很顯然這種情況是不可能發生的，因為違背了動量守恆定律。因此衰變是不可能的，除非這兩個粒子具有同樣的質量(這樣就具有了同樣的靜能)。但如果是這種情況的話，I型粒子可以變成II型粒子，根據量子理論，反過來也是能發生的，即II型粒子變成I型粒子，這就類似於同樣一個球的顏色從紅色到綠色之間變來變去，而質量沒有變化。可是，這種變化其實並不是真正的衰變，它其實應該看作多種狀態的「混合」現象，是另一種完全不同的量子現象。

2）所有衰變後產生的粒子，其質量總和一定小於衰變前的母粒子質量。

在衰變中，總能量和總動量總是守恆的，但是總質量卻總是減少(注意，我們這裡提到的質量特指粒子的靜止質量)。比如說，一個母粒子質量為m₁，它只能衰變為粒子2和粒子3（統稱為子粒子），它們質量分別為m₂和m₃，那么子粒子的質量之和，即m₂加上m₃必須小於m₁。這仍是由能量守恆定律得到的一個簡單的結論。論證如下：

還是想像一下粒子1靜止在你的面前。它的所有的能量只有靜能（根據愛因斯坦的質能關係公式，靜能為m₁c²），然後它衰變為粒子2和粒子3。每一個粒子都具有靜能和動能。既然能量是守恆的，那麼

粒子1的靜能 = 粒子2的靜能 + 粒子2的動能 + 粒子3的靜能 + 粒子3的動能

粒子2和粒子3的動能肯定不為零（如果都為零，那麼這兩個粒子會同時處在原來的位置，這並不是衰變，同樣仍是一種狀態「混合」現象），這樣很顯然m₁c²肯定大於m₂c²加上m₃c²，從而m₂加上m₃必須小於m₁。

既然光子是無質量的，那麼它就無法衰變，因為要是衰變就會出現負質量的粒子，這是理論不允許的。所以這也就是為什麼光可以穿越廣袤的宇宙空間而不會變成其他的粒子的原因。同樣，引力子也因這樣的原因不會衰變，因為它也是無質量的。

3）衰變前後總電荷必須不變

這其實就是電荷守恆定律。一個W-粒子（傳遞弱相互作用的粒子）的質量很大，具有一個負電荷-e。它可以衰變為一個具有負電荷-e的電子和一個零電荷的反中微子。但是W-粒子不能衰變為一個具有正電荷的正電子和一個零電荷的中微子，因為這樣總電荷就從-e變成e了。同樣W-粒子也不能只衰變出一個電子和一個正電子，因為衰變後的電荷加一塊兒就變成零了。

由於電子是最輕的帶電荷的粒子，所以它不可能衰變成為其他的粒子。比電子輕的只有中微子、光子、膠子和引力子，但是它們都是電中性的，不管怎麼組合，最終總電荷只能是零。另外，任何比電子更輕的未知粒子都必須是電中性的，否則在對撞機裡我們就能發現電子會衰變出這樣的帶電荷的輕粒子，而事實上我們從未發現。

4）衰變前後「費米子」個數的變化只能是偶數

所有的粒子按照自旋數，都可以分為費米子和玻色子（具體的內容請看小資料）。根據角動量守恆定律，衰變前後「費米子」個數的變化只能是偶數（具體的論證略複雜，這裡就不再敘述）。按此規則，一個中子是不可能只衰變成一個質子和一個電子的。儘管這種衰變滿足了前面所有的規則，但是它不符合這裡的規則，因為這裡所有的粒子都是費米子，中子衰變後，費米子增加了1個，不是偶數。

事實上，一個中子如果要衰變的話，除了會產生一個質子和一個電子，還會產生一個反中微子。而反中微子是一個費米子，這樣費米子個數變化為2，是偶數。

那麼為什麼最輕的中微子是穩定的呢？宇宙中有三種中微子，都被認為具有一定的質量。質量最輕的那種中微子被認為是已知的最輕的費米子，比它更輕的粒子都是玻色子（例如光子和引力子）。所以它不能進行衰變，因為這個規則不允許一個費米子只變成清一色的玻色子。另外要說一句，我們之所以知道中微子的壽命超長，是因為我們在地球上就觀測到了從宇宙深處的超新星爆發產生出來的中微子，它已經在宇宙中旅行了幾百萬光年。

5）衰變前後，總夸克個數減去總反夸克個數不能改變。

注意前面的4條規則總是成立的，因為是受到守恆定律的制約。而這第5條規則其實就是夸克數守恆定律（通常稱為重子數守恆定律）被認為是近似成立的，也許會存在特殊的情況（如宇宙大爆炸初期）會出現違反這條規則的情況。

一個質子由三個夸克加上許多膠子組成，裡面還會瞬間出現夸克和反夸克對，所以質子裡夸克個數減去反夸克個數等於3。質子是具有夸克個數多於反夸克個數的最輕的粒子，所以根據這條規則和第2條規則，質子應該被認為是穩定的。很顯然質子不能衰變成電子、光子、中微子等這樣粒子的組合，因為它們都不含有夸克。而比質子輕的強子（強子是一種由夸克或反夸克構成的複合粒子），都具有等量的夸克和反夸克，這樣正反夸克差值還是零。質子也不會衰變出這樣的粒子。

但一些物理學家認為可能有極為罕見的情況會違反這條規則，這暗示著質子可能有一點不穩定，會發生衰變，儘管科學家到現在也沒發現一個質子發生衰變。質子的壽命會十分地漫長，據推測它的壽命至少有1034年。而目前宇宙的年齡才約為138億年，所以宇宙中大量的質子將會繼續地存在下去。

當然還存在著一些其他的規則，不過大部分衰變現象只需上面幾條簡單規則即可解釋。根據上面5條規則，我們就可以成功地解釋我們日常生活中大部分粒子為啥是穩定的或者是很長壽的。不過除了一個粒子——中子。

中子是一種極為特殊的粒子。事實上沒有任何規則可以阻止它進行衰變，事實也的確如此，一個自由的中子經過大約15分鐘，會衰變為一個質子、一個電子和一個反中微子。但奇怪的是，如果你把一個中子放在一個特定的原子核裡，它就變得穩定了！中子為什麼如此奇特？

費米子和玻色子

每一個粒子都具有被稱為自旋的性質，雖然粒子並沒有真的在旋轉，因為它們都被認為是一個點而沒有體積。自旋為整數的粒子都是玻色子，包括光子、膠子、W和Z粒子，引力子以及希格斯粒子等等。例如光子自旋為1，那麼這就意味著光子轉一圈兒又變回原來的模樣，引力子自旋為2，那麼它轉半圈就變回原來的模樣。另外還有一批自旋為半整數的粒子，則被稱為費米子，包括夸克以及由奇數個夸克構成的複合粒子（例如質子和中子），以及電子、中微子等等。例如電子自旋數是1/2，那麼它得轉兩圈才能變成原來的模樣。另外，要指出的是，所有觀測到的基本粒子，不是費米子，就是玻色子。