Никто никогда не наблюдал свидетельств распада протона. Это, вероятно, разочаровывает физиков, но это очень хорошая новость для всех нас, поскольку распад протона может стать началом конца Вселенной. И вот почему.
А начать надо с того, что находится внутри этих протонов.
Внутри протонов находятся кварки. Кварк – это одна из элементарных частиц, которые мы знаем. Кварки подвержены сильному взаимодействию, силе, которая удерживает ядро вместе.
Каждому кварку, по существу, присвоено барионное число, равное одной трети. Самые известные барионы – это протоны и нейтроны, каждый из которых содержит по три кварка, что соответствует барионному числу, равному единице.
Поскольку заряд кварков в протонах и нейтронах немного отличается, две частицы имеют разные заряды. У них также немного разные массы. Нейтрон немного крупнее, что означает, что он может быть вовлечен в изменение, которое затрагивает другую фундаментальную часть материи во Вселенной
Лептоны отделены от кварков. Это такие же объекты, как электрон, нейтрино и их аналоги – антинейтрино и антиэлектрон. Ни на один из них сильное взаимодействие не влияет. У них есть лептонные числа, а их антиподчики имеют отрицательные лептонные числа.
Числа лептонов и барионов кажутся бессмысленными, пока вы не узнаете, что во Вселенной никогда не наблюдалось реакции, которая изменила бы общее число барионов или лептонов. Это приводит к законам сохранения числа барионов и лептонов. Думайте о них так же, как о сохранении энергии и сохранении массы. Внезапное изменение числа лептонов было бы подобно яблоку, просто исчезающему в никуда, или всплеску энергии, возникающему из ниоткуда.
Вот почему ученые поначалу были так озадачены взаимодействием лептонов и кварков при распаде нейтрона. Когда нейтрон распадается, он превращается в протон и выделяет электрон. Поскольку протон положительный, а электрон отрицательный, заряд сохранялся, но ученым казалось, что число лептонов полностью изменилось. Позже они поняли, что этот распад связан с испусканием антинейтрино.
Поскольку у электрона было лептонное число +1, а у антиэлектронного нейтрино было число -1, это число было сохранено, как и масса, как и заряд. Распад полностью включал слабое взаимодействие, что означало, что сильное взаимодействие не имело отношения ни к каким лептонам. И все было хорошо.
Протоны – самые легкие из барионов. Они не могут выделять ничего другого, если только их кварки не растворятся в более легких частицах. Но это привело бы к вычету барионов и добавлению лептонов из ниоткуда. Было решено, что этого не может произойти.
Затем появилась маленькая штука под названием Теория Великого объединения. Это нереализованная теория, которая утверждает, что все силы могут достигать некоторого уровня эквивалентности и могут быть объяснены с помощью одной объединяющей и поддающейся количественной оценке идеи. Это очень эстетично. Проблема в том, что если сильное и слабое взаимодействие эквивалентны, то лептоны и барионы также эквивалентны. Помните о сохранении массы и сохранении энергии? Это было бы похоже на осознание Эйнштейном того, что E = mc^2, а масса и энергия эквивалентны – что одно можно заменить другим. Внезапно яблоко может исчезнуть, и может возникнуть внезапный всплеск энергии. Вещество может быть преобразовано в энергию. Согласно теории Великого объединения, барионы могут быть преобразованы в лептоны. Число барионов и лептонов больше не сохраняется.
Затем протоны могут распадаться на позитроны и пионы. Хотя существуют различные механизмы распада протонов, ученые считают, что срок службы протонов составляет от 10^25 до 10^33 лет. Что очень жаль, поскольку на этом этапе у Вселенной будет множество собственных проблем – через 10^30 лет звезды Вселенной сначала исчезнут из поля зрения друг друга и будут выгорать до тех пор, пока не потемнеют.
Энергия – это то, что организует атомы – гравитационная энергия, которая объединяет частицы, образуя звезды и планеты, солнечная энергия, которая нагревает планеты, дает шанс жизни. К тому времени наиболее интенсивные выбросы энергии будут происходить от кусков материи, падающих в черные дыры. Возможно, это единственный способ выжать энергию из Вселенной. И это не сработает, потому что сама материя просто растворится. Как только барионы полностью превратятся в лептоны, нет способа вернуть их обратно без ввода большого количества энергии. Распад протона означает, что любая цивилизация – вообще любая материя – которая продержится так долго, буквально растворится, как даже водород распадается на более мелкие частицы.
Не очень радостная картина, не так ли?
