年齡遠超當前宇宙的質子一旦衰變 宇宙的命運將會如何發展

由於重子數在所有的相互作用下守恆，質子以外的其他重子最終都要衰變為質子， 從而保證了質子的穩定性。

然而實驗表明質子的年齡比當前的宇宙還要長，但是也有理論預言質子並不會永生下去，並且最終會衰變，質子一旦衰變，那宇宙的命運將會如何？

眾所周知，宇宙目前人類所探知的大部分物質都是由原子核及電子構成，而原子核則由中子及質子構成。（這裡科普一下：宇宙還有許多的物質人類未完全探知，比如暗能量，光子等）

19世紀科學家發現原子核存在天然放射性現象，意識到原子核並非是永恆不變的，並且最終會衰變，後來各種粒子相繼被發現，到20世紀，中子的衰變則已經為人們所熟知：在原子核外，自由中子的平均壽命約為 15 分鐘，它可以衰變為三個更輕的粒子，即質子、電子及反中微子，而束縛在一些原子核中的中子也可以衰變，比如，氚核中的中子可以通過衰變轉化為質子。而科學家一般認為電子的壽命是無限長的，因為它是已知的帶負電粒子中最輕的，所以通過任何能量守恆的方式進行衰變都會違背電荷守恆定律。

要知道，如果某粒子的衰變方式不違背任何物理學守恆定律，那麼該衰變方式就可以自發進行。物理學守恆定律是指，電荷量、能量、線動量和角動量等物理量的總量是保持不變的，也即所謂的電荷守恆定律、能量守恆定律等物理法則。這些守恆定律是普遍成立的。

然而，我們並沒有明確的守恆定律來阻止質子的衰變。例如，它原則上可以衰變成正電子、中微子以及光子，或者 π 介子及正電子，而不違背前面所說的物理學基本守恆定律。總之，大自然似乎並不阻止質子的衰變，但是質子實際上又極度穩定，這就顯得十分例外。

後來，科學家提出利用由於質子是最輕的重子，因而無法在衰變為更輕的粒子的同時又不違背重子數守恆相關定律來阻止質子衰變，就是所謂的重子數（Baryon number）守恆，簡單來說，質子與中子的重子數為 +1，其反粒子的重子數為 -1，其他粒子如輕子、介子和規範玻色子的重子數為 0。因此，中子可以衰變為更輕的質子、電子以及反中微子，而不破壞重子數守恆（註：電子和中微子都是輕子）。雖然重子數守恆的提出禁止了質子的衰變，但它仍然無法解釋質子為什麼是穩定的。因為從宇宙學的角度來看，今天宇宙中質子的數量遠遠超過其反粒子的數量，這意味宇宙大爆炸產生了更多的質子，也就說明破壞重子數守恆的過程曾經發生過。那麼，既然重子數守恆可以在宇宙誕生之初被破壞，為什麼現在不能呢？

後來一些物理學家在 20 世紀 60 年代提出重子數並不守恆的想法。但與此同時，我們又不得不面對普通物質都十分穩定的事實。美國布魯克海文國家實驗室的 Maurice Goldha-ber 就提出，質子的壽命應該不短於 10^16 年，否則人體內每年都會有大量的質子衰變，從而威脅我們的身體健康。

至於質子的壽命為何這麼長，大一統理論解決了這個問題，1974 年，哈佛大學的 Howard Georgi 與 Sheldon Glashow 提出首個真正意義上的大統一理論，後來被稱為最小 SU（5） 模型。根據該理論，強、弱、電磁三種相互作用在非常高的能量下會成為同一種相互作用。

它同時預言，質子可以通過某質量極大的中間粒子進行衰變。只不過在實驗室能量下，質子通過該粒子衰變的可能性極小，因而質子的壽命非常長。最小 SU（5） 模型預言質子的壽命可以長達 10^30 年，其他一些更為複雜的大統一理論則可以給出更長的質子壽命。當然，同樣的衰變機制也適用於中子，在大統一理論中，束縛於原子核中的中子與質子的壽命相當。

1953 年，美國洛斯阿拉莫斯科學實驗室的 Clyde L Cowan 等人第一次開始利用大型探測器觀測質子衰變，並給出質子壽命下限值為 10^22 年。在其後的 20 年，人們不斷推高了質子壽命的下限。在 1974 年大統一理論提出以後，關於質子衰變的實驗研究也被改變了。大統一理論明確預言了質子的衰變，並且預測了質子的壽命，這給了實驗更加明確的目標與方向。

大統一理論還預言，質子最可能通過產生一個正電子及一個電中性的π介子而衰變。產生的正電子與 π 介子都具有相對較高的能量，並且它們在產生後朝相反的方向飛出。由於這種高能量粒子「背對背」飛出的過程幾乎不可能從質子衰變以外的事件中產生，因此這個衰變方式可以在實驗中產生一個較易辨認的信號。

首個大統一理論給出的質子壽命長達 10^30 年，而宇宙的年齡也不過 10^10 年，我們顯然不可能只觀測一個質子，直到其衰變為止。實際上，質子的壽命指的是其半衰期，意思是樣品中所有的質子衰變掉一半所需的時間，而非所有質子在 10^30 年時同時衰變。因此，如果我們監測含有大量質子的極大質量物質，那麼每年都應該觀測到個別質子的衰變。

為了監測質子的衰變，我們需要盡量排除其他背景信號的干擾。除了屏蔽背景干擾之外，監測質子的衰變還需要記錄探測材料中發生的各種反應，這就需要建造大型的探測器。當前觀測質子衰變的主要實驗是位於日本神岡的的超級神岡探測器（Super-Kamiokande），它位於一個深達 1000 米的廢棄砷礦中，是一種水切倫科夫探測器。在超級神岡探測器中，高 41.4 米、直徑 39.3 米的不鏽鋼圓柱形容器中盛有 5 萬噸高純度的水。容器的內壁上安裝有 11200 個光電倍增管，用於探測高速帶電粒子在水中經過時產生的切倫科夫輻射。它們必須對光信號非常敏感，這是由於單個帶電粒子產生的切倫科夫輻射在五米外的亮度，僅僅與一個普通閃光燈泡在月亮一樣遠的地方產生的亮度相當。

2017 年，超級神岡探測器已經將質子衰變為正電子及 π 介子的壽命下限提高到 1.6×10^34 年。但在這之前，其他類型的大統一理論也相繼被提出，例如最小超對稱 SU（5） 模型，Flipped SU（5） 模型以及 SO（10） 模型等等，它們可以給出長達 10^35 年的質子壽命，長於目前實驗給出的下限值。因此，這些理論模型仍需實驗的進一步檢驗。

但是誰也不能確定質子的壽命也許剛剛超出當前探測器的探測範圍，也許遠遠超過當前探測器的探測範圍。時至今日，質子衰變仍然沒有被明確地觀測到。一旦觀測到質子衰變將是實驗物理學的巨大成就。因為質子衰變植根於宇宙的基本規律的深層次問題，如果得以發現，我們便可以明確地知道重子數並不守恆，並依此來檢驗大統一理論，間接地研究超高能量下的物理。當然，質子是否衰變也會決定星體、星際物質的演化乃至我們整個宇宙的命運。

所以前路漫漫，宇宙中的靈智落在這麼微弱的人類肩上（我相信不止人類，但是依舊是極其稀少的）。上帝的意圖是什麼，他留給我們的一定不僅僅是禮物，也會有責任。我們應該對得起那些永遠發不出光，永遠無法發生相互作用，永遠無法表達出複雜性的暗能量和暗物質還有那些所有人類正在探索或未探索的未知，怎麼做才能對得起他們我不知道，但生存下去就一定有一天對得起他們。

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