全文共2298字，預計學習時長7分鐘
圖源：malwarebytes
三個粒子組成了宇宙中所有熟悉的物質，從冰冷系外行星的渾濁鹽水到遙遠星系的深沉藍色或熱烈紅色行星，我們在這個世界上或其他任何地方看到的一切，都是由相同的幾種成分組成的。
這幾種成分貫穿了整個宇宙星系結構，它們是上夸克，下夸克和電子。但這只是粒子物理標準模型中十二個物質粒子中的三個。這是宇宙中最令人困惑的特徵之一。
藝術家印象中行星接近黑洞時的概念圖。質子衰變意味着在遙遙無期的未來，其他一切都分析崩離後，僅黑洞會保留。
所有事物都可以由一小組粒子創建時，爲什麼世人似乎對其他九個粒子如此陌生呢？似乎缺少了一些東西，我們面前有一些東西是看不到的。
標準模型1
歸檔到標準模型表中的是六個夸克和六個輕子，這些代表了迄今爲止發現的最小的自然成分。尚不清楚以後是否會有更多物質粒子添加到表中，也不清楚這十二個粒子是否就是全部，但它們中的大多數在生活中沒有存在感。
我們不知道這9個額外的粒子爲什麼會歸在表中，它們是否在宇宙的運作中佔有重要地位，還是說宇宙起源於粒子池。其中有些粒子的作用會延續下去，有些則不能。
上夸克，下夸克和電子共同構成了原子的質子和中子。原子又結合起來，形成分子，所有複雜的結構（如葉狀地球生命和懶惰的月球體）都由此產生。
但我們要挖掘的是質子。解答質子行爲的某個疑問可以幫助統一解釋物理力，不僅能揭示現實的本質，而且揭示宇宙大爆炸時刻的外觀。
質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，其電荷量與電子相同，但符號相反；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。我們已經探查了質子並將其分裂，以觀察其內部結構，但還有一個關於質子的問題尚未解決。
質子會永遠存在，還是會衰敗？
包含通過強核力結合在一起的上夸克和下夸克的質子圖
由於標準模型無法預測質子的衰變，我們不得不借助新物理學來解釋宇宙現象。科學家希望這種新的解釋可以定義爲萬有理論，宇宙四種力中的三種被證實爲單一作用力。
這是物理學中一個美好而強大的趨勢，就像電力和磁力的統一，或者電磁力和弱核力的最新結合一樣，科學家希望將世界上的所有現象融合在一起。電磁、弱核力、強核力和重力，所有這些都可以用簡單的數學描述。現代科學的夢想是找到一種解釋所有宇宙混亂和糾結現象的關鍵理論。萬有理論主要解釋重力以外的所有力量。
在大爆炸之後不久科學家就開始研究該理論了。初次爆炸後10-43秒，宇宙燃燒1028K，約1015GeV的能量。在此能量水平下，這三個力可以合併爲一個電子核力。即使使用功能最強大的粒子加速器，1015GeV能量也可能高出數千億倍。太過強烈的能量無法在地球上覆制。
收集萬有理論證據的另一種方法是觀察質子的分解。
超高能量中，三股力量相遇。甚至在更高的能量下，重力也可能會與其他三股力量結合在一起，從而證實萬有理論的存在。探索這些粒子的感覺就像是在數學線索包圍中獲得更大，更全面的圖像。
夸克能夠感受到強大的核力量，輕子卻不能。它們之間的差異意味着夸克可以變成其他夸克，輕子可以變成其他輕子，但是夸克永遠不能變成輕子，反之亦然。兩種類別之間有界限。
但在萬有理論中，兩種粒子可以相互跨越。質子的衰變是可能的，因爲夸克可能衰變成輕子。科學家預測，如果質子確實分解，它將衰變成正電子和中性介子。但這些粒子的總質量將遠低於原始質子的質量。因此，由於E =mc²，相應的能量將被釋放，只要技術足夠靈敏就可以檢測到。
圖源：pixabay
我們在地底下準備了大桶純淨的蘇打水，提供一個安靜的空間，可在其中觀察中微子和質子的壽命。質子衰變釋放的能量埋在厚厚的粒狀地球下，它發射的輻射可由光電倍增管捕獲。
這是一種可能改變我們對宇宙的理解的短暫現象，如此細微且短暫現象居然可以揭示我們身邊世界深刻的真相，這實在令人驚異。質子衰變的瞬間，便是一次科學革命。
然而，這一改變世界的現象卻難以目睹，原因在於目前估計質子的半衰期爲1034年，可能高達1037年。經過這段漫長的時間，所有質子，以及我們所知的所有複雜的物質結構都將分裂並從宇宙中消失。那是一個黑暗的宇宙：只有在某一點上充滿了持續不斷的黑洞，光子或電子仍在辛苦地旋轉。
圖源：Chukman So / CERN
藝術概念圖顯示了一條被捕捉的反物質射線。在大爆炸之時，物質和反物質本來應該數量相等，但我們這個充滿物質的世界顯示出兩者之間明顯的差距。在萬有理論中，通過假想的X和Y玻色子以及對應的反X和Y玻色子的存在解開了這個謎團。
這是非常罕見的，即使在未來幾十年質子確實衰減了，我們可能永遠也看不到它的發生。不是因爲它不存在，而是因爲質子衰減是隱祕且短暫的。
但這確實是存在萬有理論的重要證據。根據質子衰變事件，我們可以將其擴展爲解釋所有事物完整而有力的理論。解釋宇宙粒子和力的起源、人類的起源以及我們所經歷的一切。
針對5萬噸地下水的超級神岡探測器實驗仍在繼續進行。但科學家發現，人類見證質子衰變的希望變得越來越渺茫。過去幾年不斷增長的數據和發生的變化無疑使檢測變得更加困難。
超級神岡探測器及玻璃狀的超純水湖
但是質子衰變太重要了，這是一種肉眼難以察覺的現象。捕獲此過程中輻射的機率很小，但它們帶來的影響卻是巨大的。在地球的腹部留出一些空間，可以讓質子可以在那裏存活並在周圍移動。其中某個質子的衰變可能會帶你一窺宇宙的基礎數學、遙遠的未來科學，以及對宇宙最深遠過去的理解。
推薦閱讀專題
留言點贊發個朋友圈
我們一起分享AI學習與發展的乾貨
編譯組：高榮蔚、孔祺琪
相關鏈接：
https://medium.com/predict/the-death-of-the-proton-99aced3ac698
如轉載，請後臺留言，遵守轉載規範
推薦文章閱讀
長按識別二維碼可添加關注
讀芯君愛你
