Вся материя состоит из атомов, атомы в свою очередь состоят из электронов, протонов и нейтронов.
Протоны и нейтроны – очень похожие во многих отношениях частицы. Они состоят из кварков, которые являются еще более мелкими частицами, и имеют почти точно такую же массу.
Однако нейтроны, по-видимому, отличаются от протонов своей нестабильностью и вне атомного ядра распадаются за считанные минуты.
Так что там с протонами?
Протоны широко распространены в космосе. Весь межзвездный материал, все туманности имеют форму водородной плазмы, горячего газа, состоящего из несвязанных протонов и электронов. Если бы протоны вели себя так же как нейтроны, все эти туманности в конечном итоге испарилась бы напрочь.
Но этого не происходит. Потому, что протоны — будь то внутри атомов или свободно парящие в космосе — кажутся на удивление стабильными. Мы никогда не наблюдали ни одного протонного распада.
Однако ничто в физике не запрещает ему распадаться. Фактически, стабильный протон является исключением в мире физики элементарных частиц, и несколько теорий требуют его распада.
Но, что происходит с протонами, когда они умирают, и что это означает для стабильности атомов?
Следуя правилам
Фундаментальная физика опирается на законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Сохранение энергии означает, что частицы с меньшей массой не могут превратиться в частицы с большей массой без добавления энергии. Сочетание закона сохранения энергии с законом сохранением электрического заряда приводит к тому, что электроны, вероятно, являются самыми стабильными частицами.
Протоны же более массивны, и тот факт, что они состоят из кварков, допускает несколько возможных способов их гибели. Но поскольку атомы стабильны, возможно, протоны внутренне тоже стабильны. Однако для протонов не существует «закона сохранения протонов», подобного закону сохранения заряда.
Поиск распада протонов
Мы никогда не видели, как умирает протон. Причина может быть просто в том, что протоны редко распадаются. Эксперименты показывают, что время жизни протона должно быть больше примерно 10^34 лет (это единица, за которой следуют 34 нуля).
Для справки, возраст Вселенной составляет всего 13,8 миллиарда лет, что примерно равно 1, за которым следуют 10 нулей. Протоны в среднем переживут каждую звезду, галактику и планету, даже те, которые еще не родились.
Ключевая фраза тут – «в среднем». Это не значит, что каждый отдельный протон просуществует 10^34 года, а затем через 10^34 года они все разом взорвутся! БУМ!!! И в клубах дыма исчезает всё.
В квантовой физике время распада любого данного протона является случайным, поэтому крошечная часть распадется задолго до этого 10^34 -летнего срока службы.
В конце концов, распад протонов вытекает из глубоких концепций фундаментального функционирования космоса. Если бы протоны распадались, это было бы настолько редко, что мы этого просто не заметили. Влияние этого знания было бы огромным и стоило бы небольшой нестабильности.
