質(zhì)子會(huì)死嗎？

宇宙中所有可見(jiàn)的物質(zhì)，行星、恒星、星系，包括你我都是由質(zhì)子構(gòu)成的。

質(zhì)子是最簡(jiǎn)單的重子，由三個(gè)夸克組成，是宇宙中最基本的粒子之一。

現(xiàn)在有個(gè)問(wèn)題：質(zhì)子會(huì)死嗎？

科學(xué)家告訴我們，質(zhì)子的壽命至少是103?年。這個(gè)數(shù)字大到什么程度？宇宙的年齡才138億年，也就是101?年左右。而質(zhì)子的壽命至少是宇宙年齡的一萬(wàn)億億倍。

但問(wèn)題是，"至少"這個(gè)詞意味著什么？

意味著我們不知道質(zhì)子是否真的永生不死。

一

為什么有人會(huì)認(rèn)為質(zhì)子不穩(wěn)定？

目前已知有100多種元素，1000多種同位素。其中絕大多數(shù)同位素都不穩(wěn)定，會(huì)隨時(shí)間衰變成更穩(wěn)定的形式。

但也有80種元素?fù)碛兄辽僖环N穩(wěn)定的同位素，總共251種穩(wěn)定同位素。

不過(guò)即便是這251種"穩(wěn)定"同位素，物理學(xué)家也懷疑其中很多最終會(huì)衰變，只是壽命可能比宇宙的年齡還長(zhǎng)。

關(guān)鍵問(wèn)題是：有沒(méi)有真正永遠(yuǎn)穩(wěn)定的同位素？

這取決于兩件事：

第一，是否存在一個(gè)能量更低的狀態(tài)供它轉(zhuǎn)變。

第二，量子規(guī)則是否真的完全禁止這種轉(zhuǎn)變，還是只是抑制它。

如果只是抑制而不是禁止，那么無(wú)論概率多低，只要給足夠的時(shí)間，衰變就會(huì)發(fā)生。

二

在量子世界里，有個(gè)現(xiàn)象叫"量子隧穿"。

2025年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了這個(gè)領(lǐng)域的研究。

最好的比喻是這樣的：想象一個(gè)球滾到山谷里停住了，而不是滾到山腳。在經(jīng)典物理學(xué)中，要讓這個(gè)球到達(dá)山腳，你必須給它足夠的能量，讓它翻過(guò)山谷周圍的所有障礙。

但在量子世界里，你不需要"翻過(guò)"障礙。

你可以直接穿過(guò)去。

量子隧穿只關(guān)心是否存在一個(gè)能量更低的狀態(tài)。只要沒(méi)有任何定律絕對(duì)禁止這種轉(zhuǎn)變，它就會(huì)發(fā)生。

一個(gè)常見(jiàn)的例子是核物理中的β衰變：中子可以衰變成質(zhì)子、電子和反中微子。

這個(gè)衰變之所以能發(fā)生，是因?yàn)楫a(chǎn)物的總質(zhì)量小于中子的質(zhì)量，能量守恒，重子數(shù)守恒，輕子數(shù)也守恒。

但不是所有同位素都不穩(wěn)定。氘核是一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合在一起的原子核，它不會(huì)自發(fā)衰變成兩個(gè)質(zhì)子，因?yàn)殡说撵o止質(zhì)量能量小于兩個(gè)自由質(zhì)子的靜止質(zhì)量能量。

換句話說(shuō)，兩個(gè)自由質(zhì)子的能量比氘核更高。

那質(zhì)子呢？

三

理論上，質(zhì)子可以通過(guò)某些途徑衰變。

這些衰變途徑在能量上是有利的，守恒能量、動(dòng)量和電荷。

但它們違反了重子數(shù)守恒和輕子數(shù)守恒。

這很關(guān)鍵。

到目前為止，我們從未觀測(cè)到任何違反重子數(shù)或輕子數(shù)守恒的粒子物理相互作用。但如果你深入研究標(biāo)準(zhǔn)模型的方程，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一件令人驚訝的事：

重子數(shù)和輕子數(shù)本身并不是顯式守恒的。

標(biāo)準(zhǔn)模型只要求"重子數(shù)減去輕子數(shù)"這個(gè)組合嚴(yán)格守恒。

在量子物理學(xué)中，有一個(gè)原則叫"極權(quán)原則"：一切未被禁止的都是強(qiáng)制性的。如果某件事沒(méi)有被禁止，那么它發(fā)生的概率就是正的、有限的、非零的。

既然我們有宇宙中所有的時(shí)間來(lái)等待任何可能的過(guò)程發(fā)生，那么我們只需要：

收集足夠多的粒子，

建造一個(gè)足夠靈敏的探測(cè)器，

然后等待。

如果某樣?xùn)|西會(huì)衰變，那么只要我們收集足夠多，建造足夠靈敏的基礎(chǔ)設(shè)施，等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，我們最終會(huì)看到它發(fā)生。

四

那么為什么質(zhì)子衰變這么重要？

因?yàn)樗P(guān)系到宇宙最大的謎題之一：為什么宇宙是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成的。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，我們只能成對(duì)創(chuàng)造粒子和反粒子，數(shù)量相等。但我們觀察到的宇宙，原子、行星、恒星、星系，全都是由正常物質(zhì)構(gòu)成的，沒(méi)有等量的反物質(zhì)。

這是怎么發(fā)生的？

自1960年代以來(lái)，我們知道物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱可以從一個(gè)純粹對(duì)稱的初始狀態(tài)中產(chǎn)生。宇宙只需要滿足三個(gè)條件，叫做薩哈羅夫條件：

第一，宇宙必須處于熱不平衡狀態(tài)。這個(gè)條件熱大爆炸給了我們。

第二，必須違反C對(duì)稱和CP對(duì)稱。標(biāo)準(zhǔn)模型給了我們一點(diǎn)，但不夠多。

第三，必須有違反重子數(shù)的反應(yīng)發(fā)生。這個(gè)從未被觀測(cè)到。

因?yàn)槲覀兩钤谝粋€(gè)物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中，我們不僅需要第三個(gè)條件發(fā)生，還需要比標(biāo)準(zhǔn)模型本身承認(rèn)的更多的CP破壞。

這要求我們?cè)诶碚撋铣綐?biāo)準(zhǔn)模型。

五

有幾種可能的情況：

標(biāo)準(zhǔn)模型可能是一個(gè)更大的"大統(tǒng)一"框架的子集，其中額外的粒子可以介導(dǎo)重子的衰變及其向輕子的轉(zhuǎn)化。

可能存在標(biāo)準(zhǔn)模型的超對(duì)稱擴(kuò)展。

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的電弱對(duì)稱性破缺可能被修改。

或者可能早期通過(guò)中微子部門產(chǎn)生了輕子不對(duì)稱，然后電弱對(duì)稱性破缺將其轉(zhuǎn)化為重子不對(duì)稱，這種情況叫做"輕子生成"。

重點(diǎn)是：肯定有某種方式在宇宙的過(guò)去產(chǎn)生了比反質(zhì)子更多的質(zhì)子。

如果一個(gè)反應(yīng)可以在一個(gè)方向發(fā)生，那么反向反應(yīng)也應(yīng)該是可能的。

我們只需要重現(xiàn)正確的條件來(lái)實(shí)現(xiàn)它。

問(wèn)題是，在每種重子生成的情況下，實(shí)現(xiàn)這些條件的方式都不同。

六

那我們?cè)趺磳ふ屹|(zhì)子衰變？

方法其實(shí)很直接：

建造裝滿含質(zhì)子材料的大型容器，

周圍安裝對(duì)質(zhì)子衰變產(chǎn)物敏感的探測(cè)器，比如光電倍增管，

屏蔽背景效應(yīng)并量化探測(cè)器內(nèi)的噪聲，

然后等待，看是否有信號(hào)出現(xiàn)。

但我們需要認(rèn)識(shí)到，我們只對(duì)某些情況下的衰變可能性敏感。

可以設(shè)想這樣的重子生成情況：它不會(huì)導(dǎo)致自由質(zhì)子的衰變，或者不會(huì)導(dǎo)致原子和分子中質(zhì)子的衰變，但仍然存在違反重子數(shù)的相互作用。

換句話說(shuō)，我們可能永遠(yuǎn)看不到質(zhì)子衰變，但重子生成仍然發(fā)生過(guò)。

也可能我們看到了質(zhì)子衰變，但仍然對(duì)重子生成的實(shí)際發(fā)生方式知之甚少。

七

有許多實(shí)驗(yàn)可以幫助我們約束質(zhì)子衰變：

大型地下充滿液體的中微子探測(cè)器，

南極的冰立方中微子觀測(cè)站，

尋求直接探測(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，

以及超靈敏的核衰變實(shí)驗(yàn)。

從這些實(shí)驗(yàn)的組合中，主要是中微子探測(cè)器，我們已經(jīng)能夠約束質(zhì)子的壽命，如果它確實(shí)會(huì)衰變的話，必須大于103?年。

這是一個(gè)了不起的約束：通過(guò)幾十年的時(shí)間，觀察相當(dāng)于數(shù)萬(wàn)噸水的巨大數(shù)量的質(zhì)子，沒(méi)有出現(xiàn)一次衰變。

這與一些最簡(jiǎn)單的產(chǎn)生物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱的方式相沖突。

最早和最令人興奮的大統(tǒng)一理論框架之一叫做Georgi-Glashow或SU(5)統(tǒng)一，它將強(qiáng)力與電弱力統(tǒng)一起來(lái)。不幸的是，它預(yù)測(cè)質(zhì)子壽命只有103?年，這在1980年代初就被排除了。

許多超對(duì)稱情況已被排除，電弱對(duì)稱性破缺情況的某些方面也受到了LHC數(shù)據(jù)的輕微約束。

八

那質(zhì)子到底穩(wěn)定還是不穩(wěn)定？

核心問(wèn)題是，我們?nèi)匀徊恢馈?/p>

搜索已經(jīng)對(duì)其穩(wěn)定性施加了令人難以置信的約束，但在這些時(shí)間尺度之外，它仍然可能注定要衰變。

我們有很多搜索方法，但在真正成功之前，我們能做的就是進(jìn)一步收緊它不發(fā)生的約束。

有趣的是，最初為尋找質(zhì)子衰變而建造的實(shí)驗(yàn)催生了中微子天文學(xué)，但現(xiàn)在正是我們成功的中微子探測(cè)器對(duì)質(zhì)子壽命施加了有史以來(lái)最嚴(yán)格的約束。

也許新一代粒子對(duì)撞機(jī)可以揭示重子生成之謎，以及一般的違反重子數(shù)的相互作用。

也許尚未被發(fā)現(xiàn)的衰變會(huì)讓我們更多地了解質(zhì)子的穩(wěn)定性。

但現(xiàn)在，我們只能繼續(xù)等待。

在裝滿水的巨大地下實(shí)驗(yàn)室里，在南極的冰層下，在世界各地的暗物質(zhì)探測(cè)器中。

數(shù)萬(wàn)億個(gè)質(zhì)子，每一秒都在被監(jiān)視。

等待著那個(gè)可能永遠(yuǎn)不會(huì)到來(lái)的時(shí)刻：

一個(gè)質(zhì)子的死亡。

如果那一刻真的到來(lái)，它將改寫我們對(duì)宇宙的理解。

如果它永遠(yuǎn)不來(lái)，那也會(huì)改寫我們對(duì)宇宙的理解。

但無(wú)論哪種方式，答案都在那里。

我們只需要繼續(xù)看著，繼續(xù)等待。

(本文完)