Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

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 отправляются в корзину, а остальным приходится ждать, когда стандартная модель всё-таки даст сбой.

Учёные упорно продолжают искать какие-либо признаки распада протона. Разумеется, если учитывать огромную потенциальную продолжительность его жизни, нет никакого смысла изолировать в лаборатории отдельный протон и просто наблюдать его. Чтобы увеличить шансы отыскать протон в состоянии распада, учёные наблюдают одновременно много его собратьев.

Вечность со сроком годности

Не будем забывать, что время жизни квантового объекта вроде частицы – вопрос статистический. Если мы говорим, что частица существует один год, это значит, что с вероятностью 50 % она через год распадётся. Если она не распалась в первый год, вероятность распасться на втором – по-прежнему 50 %, и так далее.

Поэтому, хотя время жизни протона может быть невероятно велико, есть вероятность – очень малая – того, что индивидуальный протон проживёт всего пять минут и тут же распадётся. Если вы будете наблюдать огромное количество протонов, скажем, ёмкость размером с плавательный бассейн, заполненную объединёнными в молекулы жидкости атомами, и если вы знаете, каковы признаки распада протона (таинственное появление быстродвижущихся позитронов или чего-то похожего), то у вас есть шанс заметить такой распад. Именно этим физики и занимаются уже давно, пока – без малейших признаков успеха.

Учёные, однако, не обескуражены отсутствием экспериментальных подтверждений распада протона и думают, что его наблюдение – просто вопрос времени. Но что будет значить подтверждение этого для будущего Вселенной?