一顆恆星接近黑洞。在一個遙遠的未來,在其他一切都崩潰和坍塌之後,只有黑洞仍然存在。三種粒子組成了我們所熟悉的宇宙中的物質。從冰冷的系外行星到遙遠的恆星,我們周圍的一切都是由幾種基本的粒子組成的。這些關鍵粒子包括上夸克,下夸克和電子。然而,在粒子標準模型中,它們只是12種物質粒子中的3種。這是宇宙最令人困惑的地方之一。當一切都可以由3種粒子(夸克和電子)創造時,為什麼還會有另外9種似乎在我們的世界中沒有實際作用的粒子呢?
這給人一種不完整的感覺。我們一定是忽略了什麼東西。有一些東西就在我們面前,只是我們沒有看到。
標準模型標準模型中有6個夸克和6個輕子。這些代表了我們迄今為止發現的自然界最基本的粒子。現在還不清楚以後是否會發現更多的基本粒子。很難知道其他9個基本粒子在宇宙的運行中扮演著怎樣的角色。上夸克、下夸克和電子一起構成了原子中的質子和中子。原子又會形成分子,所有複雜的結構都是由這些分子組成的,比如地球上的植物和動物。
今天我們要解剖的是質子。這不僅可以幫助們構建大統一理論從而揭示現實的本質,還可以揭示宇宙在最後崩潰時刻的樣子。質子帶著和電子一樣多的電荷,由兩個上夸克和一個下夸克組成。中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。
由上夸克和下夸克組成的質子通過強大的核力聚集在一起。由於我們的標準模型無法預測質子衰變,這迫使我們引入新的物理學理論(大一統理論)來描述宇宙。在這個理論中,科學家希望把我們世界中所有的力——電磁,弱核力,強核力,和重力,通過一個簡單的數學公式統一起來。
在最初爆炸後的幾秒鐘內,宇宙是一個灼熱的火球,其能量難以想像,比我們現在最強大的粒子加速器中的能量要高出幾千億倍。在這個能級上,電磁力、弱核力和強核力可以結合成一種電子核力。我們在地球上不可能複製這一過程。因此,我們需要尋求另一種方法來實現這三種力的統一,我們把目光轉移到了質子衰變上來。
三種力在超高能量下統一。有可能在更高的能量下,引力也會和其他三種力一起創造萬物理論。夸克可以變成其他的夸克,輕子可以變成其他的輕子,但是一個夸克永遠不能變成輕子,反之亦然。這兩個類別之間有一個界限。然而,在大一統理論中,兩者有交叉的空間。質子的衰變可能讓夸克成輕子。科學家預測,如果質子真的解體,它將衰變為正電子和中性介子。然而,這些粒子的總質量將遠遠低於最初的質子的質量。因為由於E=mc^2,會有一個相應的能量釋放。
我們在地球表面的深處建造了巨大的純淨的水,為觀測中微子和質子創造了一個安靜的空間。在厚厚的、顆粒狀的地球下面,來自質子衰變的能量會釋放出被光電倍增管捕獲的輻射。這可能會改變我們對宇宙的理解。奇怪的是,如此微小、如此短暫的東西卻揭示了我們周圍世界如此深刻的真相。
質子的半衰期為10^34年,在這段漫長的時間之後,所有質子以及我們所知的所有複雜的物質都將分裂並從宇宙中消失。那將是一個黑暗的宇宙,但頑強的光子和電子仍在旋轉。
在大爆炸的那一刻,物質和反物質的產生數量應該是相等的,但我們這個充滿物質的世界卻顯示出兩者之間的明顯差異。然而,這是「大統一理論」的一個重要證據。我們可以把大一統理論擴展成一個完整的萬物理論,它可以揭示宇宙的起源以及我們經歷的一切。
質子衰變是一種非常重要的現象,不能忽視它。我們從這個過程中捕捉到輻射的可能性很小,但它們所帶來的影響是巨大的。其中一項是讓我們對宇宙的數學基礎一窺究竟,對遙遠未來的科學,以及對宇宙最深刻的過去有更好地理解。