Бессмертна ли материя?
Живые существа смертны. Даже звезды умирают. Тем не менее, говорят, что мы сделаны из звездной пыли. Может ли умереть сама материя?
Материя состоит из атомов, которые сами состоят из ядра, содержащего протоны и нейтроны с вращающимися вокруг него электронами: это область элементарных частиц. Эти частицы не умирают, хотя и могут распадаться. Из 400 или около того известных элементарных частиц только протон, электрон и нейтрино, по-видимому, бессмертны.
Известно, что в нашей Вселенной 90% существующих атомов (с сопутствующим электроном или без него) составляют протоны, а остальные 10% - ядра гелия. Все остальные существуют только в незначительных количествах. Хотя протоны и электроны, несущие противоположные электрические заряды, появляются в равном количестве, чтобы поддерживать нулевой общий заряд, они имеют очень разные массы: протон весит в 2000 раз больше электрона. Поэтому на долю протонов приходится большая часть материи во Вселенной. Другими словами, состав Земли совсем не отражает состав Вселенной в целом.
В чем разница между смертью и распадом частицы?
Одним из аргументов в пользу отрицания смерти частиц является то, что они не стареют. Действительно, пока они существуют, они несут свои характерные количества в неизменном виде: масса, заряд, спин, все проходит через время без единой морщинки. Затем все сразу исчезает, чтобы породить другие частицы в соответствии с законами сохранения, например, законом сохранения энергии, а также электрического заряда. Например, через очень короткое время после своего создания, 2⋅10-8 секунды, заряженный пион-мезон превращается в мюон, сопровождаемый нейтрино. Распад не является строго детерминированным явлением, это квантовый процесс, который включает в себя определенную долю случайности. Заранее неизвестно какой пион проживет дольше, и существует выбор режимов распада; пион дает мюон и нейтрино в 99,99% случаев, но иногда он дает электрон и нейтрино.
К счастью, большинство частиц, протонов и электронов, не распадаются априори. Почему? Это очередное следствие законов сохранения.
Электрон - самая легкая электрически заряженная частица. Поскольку заряд должен сохраняться во всех процессах, для электрона нет возможного состояния, открытого для распада.
Протон также несет электрический заряд, но не только, он характеризуется так называемым "барионным" зарядом, который также должен сохраняться в случае потенциального распада. Но протон - самый легкий из барионов. Он не может распадаться из-за отсутствия продукта распада. Протоны, как и электроны, никогда не исчезают, поэтому количество материи во Вселенной сохраняется. Поэтому протон может сохраняться в течение космологического времени, а существующие сегодня образцы протонов возникли непосредственно в результате Большого взрыва.
Существует еще один барион - нейтрон, который сопровождает протон в атомных ядрах. Нейтрон также несет барионный заряд, но его немного большая масса, чем у протона, позволяет ему распадаться: нейтрон → протон + электрон + нейтрино. Нейтрон живет в среднем 10 минут. К счастью, это относится к свободным нейтронам, нейтроны, заключенные в ядрах, стабильны, но, как мы видим, во Вселенной мало тяжелых элементов.
Великое объединение предсказывает распад протонов
Все это положило бы конец дискуссии, если бы не было физиков-теоретиков, стремящихся объяснить все физические явления на основе великих принципов. При этом они осмеливаются представить, что протоны смертны.
Одной из первых целей теоретического подхода является унификация сил, т.е. приведение всех известных взаимодействий в единую структуру. Существуют четыре фундаментальные силы: гравитация Ньютона, электромагнитная сила, действующая между заряженными частицами (Максвелл объединил законы электричества и магнетизма в своих уравнениях электромагнетизма), сильная сила, которая скрепляет протоны и нейтроны внутри ядер, и слабая сила, преобладающая для нейтрино. Электромагнитная сила и слабая сила были объединены в 1970-х годах в так называемую "электрослабую" силу, которая была подтверждена экспериментально в 1983 году. Таким образом, теперь существует только три независимые силы (гравитация, сильная сила, электрослабая сила), и вскоре после 1970 года теория заинтересовалась следующим шагом: объединением сильной и электрослабой сил. Новая теория была названа "великим объединением". Единственная загвоздка в том, что это явно нарушает сохранение барионного заряда.
Напомним, что барионный заряд является единственной гарантией бессмертия протонов. В контексте великого объединения это ограничение исчезает, и протон может распадаться, например, на нейтральный пион и позитрон. Если протон распадется, материя может исчезнуть со временем.
Этот процесс трансгрессивен более чем в одном: он не только нарушает барионный заряд, но и преобразует материю (протон) в антиматерию (позитрон), при этом получающийся пион является чистой энергией. Однако позвольте нам успокоиться, теория вычислила продолжительность жизни этого распада протона более 1031 лет, то есть в триллионы миллиардов раз больше возраста нашей Вселенной, возраст которой составляет 14 миллиардов лет.
Как измерить такую гигантскую продолжительность жизни?
При такой продолжительности жизни только один протон из 1021 исчез бы со времен Большого взрыва. Для примерно 1029 протонов, присутствующих в тонне воды, в год распадается менее одного протона.
К счастью, на Земле существует огромный, высокочувствительный резервуар, содержащий 50 килотонн очищенной воды, погребенный под японской горой - детектор Супер-Камиоканде. Построенный для измерения проходящих через него потоков нейтрино, он также может искать распад протонов, запертых внутри. Размер таков, что при упомянутом предсказании можно было бы ожидать тысячу распадов в год.
При распаде протона образуются позитрон и нейтральный пион; освобожденный пион быстро превращается в 2 фотона. Энергии достаточно, чтобы вызвать эффект Черенкова: в резервуар с водой детектора излучается световой сигнал, который может быть обнаружен. Этот метод позволяет с большой эффективностью искать предполагаемый процесс распада протонов. Однако, после нескольких лет тщательного изучения, никакого распада не наблюдалось, что привело к ограничению времени жизни протона в 1034 года. Таким образом, мы знаем, что после Большого взрыва из 10 000 миллиардов миллиардов звезд, населяющих небосвод, исчезла менее доли звезды, иными словами, почти ничего.
Таким образом, в масштабах Вселенной кажется, что протон бессмертен, и поэтому в нашем мире не будет недостатка материи для его создания. Что касается электронов, то никто не предполагал, что они могут исчезнуть.