Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Однако в более новых версиях теорий частиц имеется лазейка. Закон, запрещающий распад протона, иногда может нарушаться, но исключительно иногда. На практике этот кажущийся оксюморон[6] означает, что протоны распадутся по истечении очень долгого времени, намного превышающего современный возраст Вселенной.

Распад протона может пойти по множеству разных путей, вследствие чего могут получиться много разных продуктов этого распада. Один из типичных примеров изображен на рисунке 16. В этом случае протон распадается на позитрон и нейтральный пион, который впоследствии распадется на фотоны (излучение). Возможны и многие другие пути распада. Все разнообразие продуктов этого распада и их популяций нам пока не известно.

Рис. 16. Здесь изображен один из возможных путей распада протона. В данном случае конечным результатом распада протона является позитрон (античастица электрона) и нейтральный пион. Пион крайне нестабилен и быстро превращается в излучение (т. е. распадается на фотоны) Если такой распад происходит в плотной среде типа белого карлика, позитрон быстро аннигилирует с электроном, образуя еще два высокоэнергетических фотона

Читатель может спросить, а почему, собственно, мы обсуждаем распад именно протона, а не нейтрона. Дело в том, что нейтроны, находящиеся внутри ядра, распадутся примерно через тот же период времени. Свободные же нейтроны живут не слишком долго. Нейтрон, предоставленный самому себе, распадается на протон, электрон и антинейтрино приблизительно через десять минут. Такой способ распада не разрешен для нейтронов, связанных в атомные ядра. Связанные нейтроны могут пережить лишь долгосрочные способы распада, аналогичные путям распада протона.

Современная физика не дает точного определения среднего времени жизни протона. Простейшая версия этой теории предсказывает, что протон распадется примерно через тридцать космологических декад (1030 лет, или квадрильон квадрильонов лет). Однако это простое предсказание уже было опровергнуто экспериментами, которые показывают, что время жизни протона должно превышать тридцать две космологические декады. Распад протона предсказывает теория великого объединения — теория, объединяющая сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Эти теории связаны с невероятно высокими энергиями, которые существовали в нашей Вселенной только в первые несколько мгновений после Большого взрыва. Энергии самых больших ускорителей частиц в миллиарды раз меньше тех, что требуются для изучения этого интересного физического режима. В результате этого физики пока не располагают окончательной версией теории великого объединения. В настоящее время изучается много возможных вариантов, причем все они дают разные предсказания относительно времени жизни протона.

Если принять во внимание, что Вселенной всего десять миллиардов лет, мысль о том, чтобы провести опыт по измерению времени в квадрильон квадрильонов лет (тридцать космологических декад), выглядит практически нереальной. Однако, если иметь общее представление о процессе радиоактивного распада, становится понятной лежащая в ее основе идея. Все частицы, в данном случае протоны, не живут в течение какого-то определенного времени, по истечении которого одновременно распадаются. Напротив, существует вероятность распада частиц в любое время. В силу того что вероятность такого распада ничтожно мала, большинство частиц доживет до глубокой старости. Время жизни частицы — это среднее время, которое проживают частицы, а никак не реальное время, отпущенное каждой из них. Всегда будут частицы, которые распадутся рано. И эту разновидность младенческой смертности среди частиц можно измерить опытным путем.

Чтобы обнаружить процесс распада, нужно большое количество частиц. Для пущей ясности предположим, что мы хотим измерить распад протона, предполагаемое время жизни которого составляет 1032 лет. Если взять большой резервуар, содержащий 1032 протонов (в его качестве вполне может выступить небольшой плавательный бассейн двадцать метров в длину, пять в ширину и два в глубину), то в пределах этого экспериментального аппарата будет распадаться приблизительно один протон в год. Если бы нам удалось создать чувствительные инструменты, позволяющие зарегистрировать каждый такой распад, то нам оставалось бы только подождать несколько лет, по истечении которых наше измерение можно было бы считать завершенным. На практике же эти измерения сопряжены с несколько более замысловатыми экспериментальными проблемами, но основная идея при этом вполне понятна. В частности, чтобы узнать ответ на поставленный нами вопрос, совсем необязательно ждать 1032 лет. Эксперименты такого типа уже показали, что время жизни протона превышает 1032 лет. В настоящее время эксперименты по обнаружению распада протона продолжаются.

Распад протона можно предсказать в очень общих терминах. В ранней Вселенной какой-то процесс, протекавший с нарушением барионного числа, создал вещество, которое мы наблюдаем в современной нам Вселенной. Вспомним, что небольшой избыток вещества над антивеществом образовался в первую микросекунду истории космоса. Количество вещества во Вселенной может превышать количество антивещества только в том случае, если в результате какого-то физического процесса образуется дополнительное барионное число. Но если может иметь место подобный процесс, в ходе которого нарушается закон сохранения барионного числа, значит, протоны обречены на гибель. Тогда распад протона — это лишь вопрос времени.

Возможные пути распада протона, упомянутые до сих пор, не включают четвертой силы природы — гравитации. Вместе с тем именно сила гравитации управляет дополнительным механизмом распада протона. На самом деле, протон не является неделимой частицей: он образован тремя составляющими частицами, которые носят название кварков. Кварки в протоне не пребывают в покое: они находятся в состоянии постоянного возбуждения. Хоть и очень-очень редко, но они все же могут занять почти одно и то же положение внутри протона. Как только такое схождение происходит, если кварки оказываются достаточно близко друг к другу, они могут слиться в микроскопическую черную дыру. Оценки среднего времени, которое потребуется протону, чтобы туннелировать в миниатюрную черную дыру, весьма разнятся: от сорока пяти до ста шестидесяти девяти космологических декад, причем предпочтение отдается меньшему концу этого диапазона. Нет нужды говорить, что этот процесс еще недостаточно хорошо изучен, вследствие чего соответствующее ему время жизни протона может быть названо только в очень грубом приближении. Но если только протоны не распадутся еще раньше, им суждено исчезнуть в ходе этого процесса — принять смерть от силы гравитации.

Как мы расскажем в следующей главе, черные дыры тоже не вечны. Причем маленькие черные дыры живут гораздо меньше больших. После самостоятельного превращения протона в черную дыру он почти мгновенно испарится, оставив после себя позитрон. Таким образом, протон служит еще одним полем боя гравитации и термодинамики. Из-за неослабевающего действия гравитации, рано или поздно, она может спровоцировать гибель протонов и образование крошечных черных дыр. Но этот явный триумф гравитации недолговечен. Черные дыры испаряются сразу после их появления. Большая часть массы-энергии протона уходит в излучение, энтропия высвобождается во Вселенную, и термодинамика празднует окончательную победу.

Существует еще один, даже более экзотический, механизм распада протонов. Вакуумные конфигурации пустого пространства могут иметь более одного возможного состояния. В принципе, вакуум способен самопроизвольно изменять свою конфигурацию в ходе процесса квантово-механического туннелирования. Поскольку переходы вакуума из одного состояния в другое вызывают изменения барионного числа, они могут послужить спусковым крючком для протонного распада. Однако подобные переходы сильно подавлены, вследствие чего они требуют огромного времени. В отсутствие более быстрого пути распада протоны будут разрушены под действием этого механизма в сто сороковую-сто пятидесятую космологическую декаду.

Судьба вырожденных остатков

Заключительная глава звездной эволюции являет себя в распаде протонов. Хотя истинное время жизни протона опытным путем измерено не было, в данной книге мы принимаем, что типичное время жизни протона составляет тридцать семь космологических декад (десять триллионов триллионов триллионов лет). Когда протоны распадаются внутри звезды, например внутри белого карлика, образовавшаяся энергия пополняет энергетические запасы этой звезды. Наиболее распространенными продуктами этого распада являются позитрон и пион, причем последний мгновенно распадается на высокоэнергетические гамма-лучи. Позитрон быстро находит электрон, и две эти частицы аннигилируют, образуя еще два высокоэнергетических фотона гамма-излучения. Таким образом, в конечном итоге масса покоя протона превращается в гамма-излучение, нагревающее звезду. Следовательно распадающиеся протоны обеспечивают звезду внутренним источником энергии, только вот цена этого невероятно высока: чтобы создать тепло и свет, звезда должна отдать свою собственную массу покоя.