Насколько стабильно вещество, из которого мы состоим?
Я верю, что у природы есть стабильные законы красоты и полезности. Весна сажает, осень собирает, и так до конца времён.
— Роберт Браунинг
Как и всё остальное, что есть во Вселенной – галактики, звёзды, планеты – люди состоят из атомов.
И если мы заберёмся в самое сердце атома, мы обнаружим, что его ядро состоит из комбинации двух простых нуклонов: протона и нейтрона. Протон и нейтрон связываются в сотни разных комбинаций, и определяют не только тип атома, но и его стабильность. А человеческое тело составляет не менее 10 28 атомов.
Более 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 атомов в каждом человеке. И некоторые из этих атомов известны своей радиоактивностью, например, висмут, уран, торий, но и они всегда сохраняют общее число нуклонов. Даже свободный нейтрон, хоть он и не стабилен, распадается на протон (и кое-что другое), сохраняя общее число нуклонов.
А что насчёт протонов? Более 10 27 атомов в человеке – это атомы водорода, у которых ядро состоит только из одного протона. Возможно ли, что эти протоны нестабильны? Согласно некоторым идеям физики (таким, например, как различные Теории великого объединения), протон тоже может распадаться!
Но если это так, его время жизни должно быть очень большим. Нейтрон распадается в течение 15 минут, но протон должен жить очень долго. Мы можем понять это, просто используя наши тела. С 4 * 10 27 протонами внутри нас – в ядрах атомов водорода – нельзя допустить, чтобы большое их количество распадалось. Тогда бы мы сами по себе испускали слишком много энергии!
Вам интересно, почему?
Так же, как материя превращается в энергию в Солнце и атомных бомбах, она могла бы появляться и из таких спокойных вещей, как протоны. И знаете, что? Люди ведь на самом деле излучают энергию, как и все теплокровные приматы.
В видимом спектре это неочевидно, но если взглянуть в инфракрасном свете, станет видно, что люди относительно окружающей их среды постоянно излучают тепло в более холодный воздух вокруг.
Чтобы выдерживать нужный температурный режим, необходимо потреблять энергию, чтобы компенсировать ту, что постоянно излучается. Взрослый человек моего размера должен излучать 100 Вт энергии – это 100 Джоулей в секунду, примерно как лампа накаливания.
Даже если бы вы получали 100% этой энергии от распадающихся протонов, это ограничивает количество протонов, способных распадаться каждую секунду, всего лишь 600 миллиардами.
Но основываясь на огромном количестве протонов в теле, можно понять, что в среднем протону требуется не менее сотен миллионов лет для того, чтобы распасться. И в реальности мы не излучаем 100 Вт энергии благодаря распаду протонов.
Мы получаем её в виде химической энергии, поедая кроликов калорийную еду. Для поддержания нормальной температуры взрослому мужчине требуется примерно 2000 калорий в день. Один из первых симптомов недоедания – падение температуры тела.
Но чтобы точно проверить, распадаются ли протоны, понятно, что нужно сделать. Нужно собрать их как можно больше в одном месте, построить гигантский детектор и искать сигнатуру распада.
Так и поступили в Камиоке, Япония. Построили резервуар с сотнями тонн воды и с детекторами фотонов по периметру. Если какой-либо из протонов распадётся, высокоэнергетические продукты распада оставят световые сигналы, позволив нам измерить не только факт распада, но и количество распавшихся атомов.
Если взять резервуар с 10 32 протонами, подождать год, и обнаружить, что ни один не распался – то станет ясно, что их период полураспада составляет по меньшей мере 10 32 года!
И хотя такое устройство оказалось очень полезным для создания детекторов космических нейтрино, все эксперименты с распадом протона не дали никаких результатов. В общем, исходя из полученных данных, время жизни протона должно составлять не менее 10 35 лет, что вполне неплохо, учитывая, что возраст Вселенной составляет всего около 10 10 лет!
Протон настолько стабилен, что представляет собой проблему для множества Великих теорий объединения. Только на основе полученного нами времени жизни можно сказать, что шанс того, что во время вашей жизни любой из протонов вашего тела распадётся, составляет 0,001%. И вот насколько стабильна на фундаментальном уровне та материя, из которой мы сделаны.
Распад протона как физическая гипотеза
Вы будете перенаправлены на Автор24
Распад протона – это возможная форма радиоактивной реакции, в результате которой протон может превратиться в субатомные частицы с меньшей массой.
Этот распад до настоящего времени наблюдать не удалось. Примером радиоактивного распада протона ($p$) может стать реакция:
Распад протона можно объяснить наличием следующих фактов:
Имеется множество данных, что вещество исчезает не быстро. Если обычное вещество распадается, то его распад имеет очень малую скорость и необходимы эксперименты огромного масштаба, для его обнаружения.
Беккерель нашел распад ядра урана в кристалле соли урана массой несколько грамм. Для выявления радиоактивности, которая бы была связана с распадом протона необходимо проверить много тонн вещества.
Условия возможности распада элементарных частиц
Любой процесс самопроизвольного распада элементарных частиц считают возможным, если он не запрещен законами сохранения. Распад может проходить как более или менее сложная последовательность излучений и поглощений частиц.
Рассматривая вопрос, связанный со стабильностью частицы, следует понять, будет ли распад противоречить какому-либо закону сохранения.
Так, сначала имеет рассмотреть выполнение в ходе распада закона сохранения энергии. Он требует, чтобы масса распадающейся частицы была больше, чем сумма масс продуктов распада (следует учесть, что часть массы исходной частицы превратится с кинетическую энергию продуктов распада).
Готовые работы на аналогичную тему
Протон имеет положительный электрический заряд, который по величине равен заряду электрона. Следовательно, из закона сохранения заряда данная частица не может распадаться на:
Возможные варианты распадов протона на основании законов сохранения энергии и заряда
Протон, в 1820 раз тяжелее электрона. Имеется несколько частиц обладающих меньшей массой, с положительным зарядом. Это означает, что протон способен распадаться на такие частицы и при этом не будет нарушаться закон сохранения заряда и энергии. Так, законы сохранения энергии и заряда не могут запретить протону распадаться на:
Еще одним кандидатом в продукты распада протона считают антимюон.
Мюон во многом подобен электрону, обладает тем же электрическим зарядом, то в 210 раз массивнее электрона. Мюон распадается на электрон и нетрино. Соответственно антимюон обладает той же массой, что мюон, но противоположным зарядом. Масса антимюона равна одной девятой массы протона. Теоретически протон может распадаться на антимюон в совокупности с легкими нейтральными частицами, например, фотонами и нейтрино.
Следующим вариантом продуктов распада протона может стать мезон. Мезон – это представитель группы нестабильных частиц, которые находятся между электронами и протонами, если использовать классификацию частиц по массе.
Законы сохранения энергии и заряда не запрещают протону распадаться, например, на:
Причины стабильности материи
Первым вопрос о стабильности материи публично задал Г. Вейль в 1929 году. Почему протон в атоме не поглощает электрон с орбиты? Тогда, например, атом водорода превращался бы в фотонный ливень.
Вейль предположил, что стабильность атома вызвана наличием двух типов электрического заряда:
При сохранении каждого заряда по отдельности, взаимная аннигиляция запрещена. Гипотеза Вейля не встретила поддержки в то время.
Вопрос был анимирован позднее в 1938 году Э. Штюкельбергом и в 1949 году Е. Вигнером. Они предположили, что помимо энергии и электрического заряда, имеется еще закон сохранения барионного числа.
Закон сохранения барионного числа говорит о том, что полное барионное число не может изменяться.
Закон сохранения барионного числа не утверждает, что протон живет вечно, но требует, чтобы протон не распадался самопроизвольно, если в веществе не имеется антипротонов.
Эксперименты по поиску распада протона
Надежда зарегистрировать распад частицы с таким большим сроком жизни имеется только потому, что процессы радиоактивного распада работают статистически.
Техника экспериментов по распаду протона основана на том, чтобы провести компенсацию малой скорости распада при помощи детальной проверки большой массы вещества. Чем больше масса, тем больше протонов, следовательно, растет вероятность увидеть распад.
Опыты, в основном отличаются:
На что распадается протон
Фред Адамс, Грег Лафлин
ПЯТЬ ВОЗРАСТОВ ВСЕЛЕННОЙ:
В глубинах физики вечности
Долгосрочная судьба Вселенной, в которой мы живем, всегда волновала наше воображение. Будучи астрофизиками, мы привыкли размышлять о возникновении и судьбе различных астрономических объектов: звезд, галактик, да и Вселенной в целом. На протяжении двадцатого века, и особенно за два последних десятилетия, физика, астрономия и космология сделали огромный скачок вперед, так что теперь мы понимаем нашу Вселенную так хорошо, как никогда ранее.
Космология занимается, главным образом, предысторией Вселенной, и это справедливо. Теория Большого взрыва вкупе с ее вариациями образует весьма успешную парадигму для описания зарождения Вселенной, а последние результаты астрономических наблюдений подводят под нее прочную научную основу. Законченность нашему детальному пониманию современной Вселенной придали параллельные достижения ученых в области звездной эволюции, образования звезд и галактик. А в последние годы «реестр» нашей Вселенной расширился благодаря открытию черных дыр, коричневых карликов и планет, вращающихся по орбитам других звезд.
И вот, располагая всей этой информацией, в конце 1995 года мы начали подробное научное исследование будущего Вселенной, включая звезды, галактики и прочие астрофизические объекты, живущие в ней. К этому исследованию нас подтолкнуло несколько событий, произошедших практически одновременно. Мы почувствовали, что пора вновь вернуться к этому вопросу. Несмотря на последние успехи в отношении истории Вселенной, ее будущему всегда уделялось достаточно мало внимания. Крупные статьи Мартина Риса, Джамала Ислама и Фримена Дайсона были опубликованы еще в шестидесятых-семидесятых годах двадцатого века, а в начале восьмидесятых годов увидели свет несколько работ, в которых описывались последствия распада протона. Однако значительные успехи, которых в последнее время добились физика и астрономия, открыли более обширную перспективу, позволяющую обстоятельно вглядеться в будущее. В прежних исследованиях авторы поднимали вопросы, главным образом, крупномасштабной космологии, уделяя мало внимания звездам и звездным объектам. До сих пор не просчитана долгосрочная эволюция звезд с самой низкой массой, которые живут гораздо дольше современного возраста нашей Вселенной. Воплощению этого проекта в жизнь весьма поспособствовал приезд в Мичиганский университет Лафлина, который решил поработать с Адамсом. С этого момента мы начали всматриваться в темноту вместе. Дополнительным стимулом послужил организованный Мичиганским университетом «тематический семестр» по вопросу «Смерть, вымирание и будущее человечества». По этому случаю Адамс написал новый курс о долгосрочном будущем Вселенной. Относительная скудность справочного материала стала еще одним стимулом к изучению отдаленного будущего нашей Вселенной.
Результаты нашего исходного исследования были опубликованы в виде обзорной статьи в журнале Reviews of Modern Physics в 1997 году с одобрения сэра Мартина Риса, редактора этого журнала и Королевского астронома Англии. По завершении научной рукописи живой интерес к данному вопросу выказали средства массовой информации, а спрос на публичные лекции оказался удивительно высоким. Такой неожиданный интерес общественности заставил нас подумать о популярном изложении данной темы, результатом которого и стала эта книга.
Наша книга отличается от многих ей подобных тем, что она знакомит читателя с достаточно большим количеством нового научного материала. В процессе написания этой рукописи мы часто сталкивались с ранее неизученными научными проблемами. Например, что будет, если маленький красный карлик войдет в нашу Солнечную систему и нарушит орбиты планет? Может ли такая звезда захватить Землю? Какова вероятность того, что это произойдет прежде, чем умрет наше Солнце? Чтобы ответить на эти и другие вопросы такого рода, мы просто по мере необходимости выполняли требующиеся вычисления. Поэтому наша книга содержит результаты новых, ранее неопубликованных, вычислений и прочие научные соображения. Таким образом, на сегодняшний день это самая полная и подробная трактовка будущего.
Любое описание будущей Вселенной непременно содержит спекулятивные элементы. В рамках данной книги мы отталкиваемся от современного понимания законов физики и астрофизики и производим экстраполяцию вперед, пытаясь представить Вселенную будущего. Однако по мере продвижения во мрак, которым покрыто наше будущее, наша экстраполяция утрачивает фокус. На этом пути мы обязаны учесть такие эффекты физических и астрономических процессов, которые еще только изучаются. В частности, большая часть этой книги описывает будущую космологию вечно расширяющейся Вселенной: о том, что Вселенная расширяется, свидетельствуют современные результаты астрономических наблюдений. И все же для полноты изложения мы включили краткое обсуждение Вселенной, переживающей повторное сжатие. Кроме того, мы открыто допускаем, что, рано или поздно, произойдут и распад протона, и испарение черных дыр, открытое Хокингом. Несмотря на то, что оба этих долгосрочных процесса в общих чертах предсказаны физиками-теоретиками, они пока не получили экспериментального подтверждения.
Практически все, что мы обсуждаем в этой книге, основано на одном дополнительном догмате нашей веры. Мы полагаем, что законы физики останутся такими же и не изменятся с течением времени, по крайней мере до завершения временной шкалы нашей летописи. И хотя мы не располагаем абсолютной гарантией справедливости этого допущения, мы не видим и веской причины сомневаться в нем. Многочисленные свидетельства говорят о том, что до сих пор в истории Вселенной физические законы носили замечательно постоянный характер, и на сегодняшний день нет никаких указаний на то, что данная тенденция изменится. К примеру, исследования молодой Вселенной в контексте теории Большого взрыва убедительно доказывают, что законы физики, описывающие природу, достаточно хорошо поняты и оставались неизменными с очень давних времен до настоящего момента. Принимая неизменность физических законов и в будущем, мы подразумеваем сами законы, а не понимание их нами. Более полное понимание физики почти наверняка приведет к изменениям, большим и малым, в представленной здесь картине будущего.
Эта книга рассказывает историю нашей Вселенной от ее сингулярного зарождения в Большом взрыве до разрозненного перехода в отдаленное будущее. Знаками препинания в этом сказании являются звездные взрывы, столкновения и великое множество других астрофизических катастроф. На первый взгляд, бесконечное разрушение Вселенной может показаться унылой или гнетущей перспективой. Однако мы считаем, что постоянно меняющиеся характеристики Вселенной дают нам гораздо большую перспективу — более обширный взгляд на космос и наше место в нем. Мы надеемся, что наши читатели обретут лучшее понимание истории нашей Вселенной: что она содержит, как работает и что с ней может произойти в будущем. Оттолкнувшись от такой расширенной системы отсчета, можно обрести гораздо более полное понимание наших «повседневных» взаимодействий с уютной Вселенной нынешней эпохи.
