Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - Герайнт Фрэнсис Льюис

тоже помогает. Сейчас мы посмотрим, справитесь ли вы с небольшой, но непростой викториной. Готовы? Первый вопрос: возможно ли взаимодействие протон + нейтрон → протон + протон + антипротон? Хм. Слева положительный заряд и справа тоже положительный – вроде, всё нормально. Но слева у нас 2 бариона, а справа 2 минус 1 барион – остаётся 1 барион. Значит, барионное число не сохраняется. Нет, такого взаимодействия быть не может!

Хорошо, второй вопрос. Может ли произойти взаимодействие протон + протон → протон + протон + протон + антипротон? Заряд сохраняется – хорошо. И барионное число теперь остаётся двойкой. Похоже, да, взаимодействие возможно. И правда, такое образование пары протон-антипротон может наблюдаться, когда сталкиваются два протона с достаточно высокой энергией. Но в этом взаимодействии количество протонов увеличилось. А если мы ищем возможности распада протонов, нужно взаимодействие, при котором количество протонов уменьшается. Но из всех барионов протон имеет наименьшую энергию. Значит, распад на что-то более энергетически благоприятное привёл бы к изменению барионного числа, а это запрещено!

Протон защищён симметрией. Или, если сформулировать ту же мысль в ключе обсуждения долгого умирания пустой Вселенной, протон обречён на бесконечную жизнь. Может быть.

Неизбежны: смерть, налоги и распад

Прежде, чем перейти к разговору о том, как всё-таки протон мог бы распадаться, возможно, стоит сделать шаг назад и подумать, что вообще такое распад или, что ещё ближе к делу, почему он происходит. Хоть теперь наше понимание природы основывается на квантовой физике в самом её расцвете, это не всегда было так. Синонимами к глаголу «распадаться» были «ухудшаться», «разрушаться», а то и «гнить». В начале 1900-х системaтическое изучение явления, названного радиоактивностью, привело Марию Склодовскую-Кюри и её мужа Пьера к открытию того, что распаду подвержены сами химические элементы.[55] Некоторые из них испускали излучение, но с течением времени всё более и более слабое: каким бы ни был его источник, он распадался. Было обнаружено, что в результате такого распада один элемент превращается в другой.

В квантовой физике термином «распад» теперь обозначают любой процесс, в котором высокоэнергетическое состояние системы переходит в низкоэнергетическое. Вы можете услышать выражения вроде «атом распался» – то есть перешел в состояние с более низкой энергией. Но мы знаем, что энергия всегда сохраняется – значит, потерянная должна куда-то уйти. Вот почему все события распада сопровождаются выделением энергии. Если состояние с более низкой энергией возможно, система неустойчива. Здесь есть тонкое отличие от случая, когда рассматриваемая система представляет собой неустойчивое ядро, как у печально знаменитого радиоактивного урана. Тогда мы называем этот процесс радиоактивным распадом: испускаемое излучение имеет высокую энергию и потенциально опасно. Часто такое излучение называют ещё ионизирующим: его энергии достаточно для отрывания электронов от атомов вещества, через которое это излучение проходит. В больших дозах это плохо влияет на живые клетки.

Количество излучения, которое вещество испускает, очевидно, зависит от количества самого вещества. В большем количестве вещества произойдёт больше актов распада, в меньшем – меньше. Конечно, в таком грубо приближённом виде это правило не позволяет количественных предсказаний. К счастью, точная математическая формулировка ненамного сложнее: количество распадающегося вещества в каждый момент времени пропорционально его общему имеющемуся количеству. Это наблюдение очень важно: оно означает, что за фиксированный промежуток времени в любом количестве вещества распадётся одна и та же строго определённая часть. Например, если образец радиоактивного радия распадается наполовину за 1600 лет, то за следующие 1600 лет распадётся половина его остатка, и так далее. В этом случае мы называем 1600 лет периодом полураспада радия.

Период полураспада – фундаментальное свойство элемента; у каждого элемента он свой. У некоторых, например, у водорода-7 (водорода с шестью нейтронами), период полураспада измеряется йоктосекундами (триллионными долями триллионной доли секунды), а у других, таких, как свинец-204, занимает йоттасекунды (триллионы триллионов секунд). Период полураспада определяет устойчивость элемента: если он равен нескольким йокто-секундам, элемент крайне неустойчив, а если измеряется йоттасекундами (что в миллионы раз больше возраста Вселенной), то такой элемент, конечно, практически вечен.

Здесь вы, возможно, задумались – а как мы вообще можем узнать, что срок жизни атома в миллион раз больше возраста Вселенной? Неужели кто-то ждал столько времени, чтобы измерить его? Конечно, нет: здесь на помощь опять приходит квантовая неопределённость. Снова посмотрим на радий и на его 1600-летний период полураспада. Если у нас есть 1 грамм чистого радия (конкретно – радия-226), то из-за распада через 1600 лет от него останется полграмма. Но это не значит, что как только часы пробьют 1600 лет, половина радия вдруг исчезнет. У каждого индивидуального атома есть малая вероятность распасться в любую данную секунду. После того, как эта секунда миновала, некоторые из них распались, а остальные сохранили ту же самую вероятность распасться в следующую секунду. Спустя 50 миллиардов секунд (около 1600 лет) распадётся примерно половина всех исходных атомов. Хоть это и довольно большой промежуток времени, мы должны помнить, что атомов в каждом грамме радия – больше секстиллиона. При периоде полураспада в 1600 лет это даёт 37 миллиардов событий распада в секунду! Для наглядности скажем, что в вашем теле, содержащем радиоактивный калий, происходит около восьми тысяч актов распада в секунду. (Да-да, вы радиоактивны, как и ваш компьютер, ваша собака, любой материальный предмет, какой вы только можете вообразить).

Период полураспада – это число, которое сообщает вам кое-что о вероятности, а не о чём-то физически реальном. У данного атома есть вероятность – неважно, насколько малая – распасться в любую секунду. Если у редкого события есть какая-то вероятность случиться, оно в конце концов случится. Именно поэтому использованные урановые стержни из атомных электростанций опасны и останутся опасными ещё долго после того, как люди исчезнут с лица Земли. Поэтому вопрос о том, будут ли протоны существовать вечно, на деле – о том, могут ли они находиться в более низкоэнергетическом состоянии, чем то, в котором находятся, и каков их период полураспада в этом состоянии.

Как барионы, протоны должны распадаться с образованием других барионов – если барионное число должно сохраняться. Но, как и другие аномалии, с которыми мы повстречались, нарушение этой симметрии для физиков – просто интересное упражнение. Чтобы допустить распад протона, физики иногда видоизменяют математический аппарат современной стандартной модели, а иногда – строят модели, полностью отличные от стандартной. Поток таких предложений не иссякает. Но есть одна проблема: в каждом эксперименте в области физики частиц стандартная модель снова и снова подтверждается, объясняя поведение всех электронов, протонов и всего ассортимента других образующихся частиц. Поэтому при всей безупречности своей математики многие альтернативные предложения сразу