質子會死嗎？

宇宙中所有可見的物質，行星、恒星、星系，包括你我都是由質子構成的。

質子是最簡單的重子，由三個夸克組成，是宇宙中最基本的粒子之一。

現在有個問題：質子會死嗎？

科學家告訴我們，質子的壽命至少是103?年。這個數字大到什么程度？宇宙的年齡才138億年，也就是101?年左右。而質子的壽命至少是宇宙年齡的一萬億億倍。

但問題是，"至少"這個詞意味著什么？

意味著我們不知道質子是否真的永生不死。

一

為什么有人會認為質子不穩定？

目前已知有100多種元素，1000多種同位素。其中絕大多數同位素都不穩定，會隨時間衰變成更穩定的形式。

但也有80種元素擁有至少一種穩定的同位素，總共251種穩定同位素。

不過即便是這251種"穩定"同位素，物理學家也懷疑其中很多最終會衰變，只是壽命可能比宇宙的年齡還長。

關鍵問題是：有沒有真正永遠穩定的同位素？

這取決于兩件事：

第一，是否存在一個能量更低的狀態供它轉變。

第二，量子規則是否真的完全禁止這種轉變，還是只是抑制它。

如果只是抑制而不是禁止，那么無論概率多低，只要給足夠的時間，衰變就會發生。

二

在量子世界里，有個現象叫"量子隧穿"。

2025年的諾貝爾物理學獎就頒給了這個領域的研究。

最好的比喻是這樣的：想象一個球滾到山谷里停住了，而不是滾到山腳。在經典物理學中，要讓這個球到達山腳，你必須給它足夠的能量，讓它翻過山谷周圍的所有障礙。

但在量子世界里，你不需要"翻過"障礙。

你可以直接穿過去。

量子隧穿只關心是否存在一個能量更低的狀態。只要沒有任何定律絕對禁止這種轉變，它就會發生。

一個常見的例子是核物理中的β衰變：中子可以衰變成質子、電子和反中微子。

這個衰變之所以能發生，是因為產物的總質量小于中子的質量，能量守恒，重子數守恒，輕子數也守恒。

但不是所有同位素都不穩定。氘核是一個質子和一個中子結合在一起的原子核，它不會自發衰變成兩個質子，因為氘核的靜止質量能量小于兩個自由質子的靜止質量能量。

換句話說，兩個自由質子的能量比氘核更高。

那質子呢？

三

理論上，質子可以通過某些途徑衰變。

這些衰變途徑在能量上是有利的，守恒能量、動量和電荷。

但它們違反了重子數守恒和輕子數守恒。

這很關鍵。

到目前為止，我們從未觀測到任何違反重子數或輕子數守恒的粒子物理相互作用。但如果你深入研究標準模型的方程，你會發現一件令人驚訝的事：

重子數和輕子數本身并不是顯式守恒的。

標準模型只要求"重子數減去輕子數"這個組合嚴格守恒。

在量子物理學中，有一個原則叫"極權原則"：一切未被禁止的都是強制性的。如果某件事沒有被禁止，那么它發生的概率就是正的、有限的、非零的。

既然我們有宇宙中所有的時間來等待任何可能的過程發生，那么我們只需要：

收集足夠多的粒子，

建造一個足夠靈敏的探測器，

然后等待。

如果某樣東西會衰變，那么只要我們收集足夠多，建造足夠靈敏的基礎設施，等待足夠長的時間，我們最終會看到它發生。

四

那么為什么質子衰變這么重要？

因為它關系到宇宙最大的謎題之一：為什么宇宙是由物質而不是反物質構成的。

根據愛因斯坦的質能方程E=mc2，我們只能成對創造粒子和反粒子，數量相等。但我們觀察到的宇宙，原子、行星、恒星、星系，全都是由正常物質構成的，沒有等量的反物質。

這是怎么發生的？

自1960年代以來，我們知道物質反物質不對稱可以從一個純粹對稱的初始狀態中產生。宇宙只需要滿足三個條件，叫做薩哈羅夫條件：

第一，宇宙必須處于熱不平衡狀態。這個條件熱大爆炸給了我們。

第二，必須違反C對稱和CP對稱。標準模型給了我們一點，但不夠多。

第三，必須有違反重子數的反應發生。這個從未被觀測到。

因為我們生活在一個物質主導的宇宙中，我們不僅需要第三個條件發生，還需要比標準模型本身承認的更多的CP破壞。

這要求我們在理論上超越標準模型。

五

有幾種可能的情況：

標準模型可能是一個更大的"大統一"框架的子集，其中額外的粒子可以介導重子的衰變及其向輕子的轉化。

可能存在標準模型的超對稱擴展。

標準模型預測的電弱對稱性破缺可能被修改。

或者可能早期通過中微子部門產生了輕子不對稱，然后電弱對稱性破缺將其轉化為重子不對稱，這種情況叫做"輕子生成"。

重點是：肯定有某種方式在宇宙的過去產生了比反質子更多的質子。

如果一個反應可以在一個方向發生，那么反向反應也應該是可能的。

我們只需要重現正確的條件來實現它。

問題是，在每種重子生成的情況下，實現這些條件的方式都不同。

六

那我們怎么尋找質子衰變？

方法其實很直接：

建造裝滿含質子材料的大型容器，

周圍安裝對質子衰變產物敏感的探測器，比如光電倍增管，

屏蔽背景效應并量化探測器內的噪聲，

然后等待，看是否有信號出現。

但我們需要認識到，我們只對某些情況下的衰變可能性敏感。

可以設想這樣的重子生成情況：它不會導致自由質子的衰變，或者不會導致原子和分子中質子的衰變，但仍然存在違反重子數的相互作用。

換句話說，我們可能永遠看不到質子衰變，但重子生成仍然發生過。

也可能我們看到了質子衰變，但仍然對重子生成的實際發生方式知之甚少。

七

有許多實驗可以幫助我們約束質子衰變：

大型地下充滿液體的中微子探測器，

南極的冰立方中微子觀測站，

尋求直接探測暗物質的實驗，

以及超靈敏的核衰變實驗。

從這些實驗的組合中，主要是中微子探測器，我們已經能夠約束質子的壽命，如果它確實會衰變的話，必須大于103?年。

這是一個了不起的約束：通過幾十年的時間，觀察相當于數萬噸水的巨大數量的質子，沒有出現一次衰變。

這與一些最簡單的產生物質反物質不對稱的方式相沖突。

最早和最令人興奮的大統一理論框架之一叫做Georgi-Glashow或SU(5)統一，它將強力與電弱力統一起來。不幸的是，它預測質子壽命只有103?年，這在1980年代初就被排除了。

許多超對稱情況已被排除，電弱對稱性破缺情況的某些方面也受到了LHC數據的輕微約束。

八

那質子到底穩定還是不穩定？

核心問題是，我們仍然不知道。

搜索已經對其穩定性施加了令人難以置信的約束，但在這些時間尺度之外，它仍然可能注定要衰變。

我們有很多搜索方法，但在真正成功之前，我們能做的就是進一步收緊它不發生的約束。

有趣的是，最初為尋找質子衰變而建造的實驗催生了中微子天文學，但現在正是我們成功的中微子探測器對質子壽命施加了有史以來最嚴格的約束。

也許新一代粒子對撞機可以揭示重子生成之謎，以及一般的違反重子數的相互作用。

也許尚未被發現的衰變會讓我們更多地了解質子的穩定性。

但現在，我們只能繼續等待。

在裝滿水的巨大地下實驗室里，在南極的冰層下，在世界各地的暗物質探測器中。

數萬億個質子，每一秒都在被監視。

等待著那個可能永遠不會到來的時刻：

一個質子的死亡。

如果那一刻真的到來，它將改寫我們對宇宙的理解。

如果它永遠不來，那也會改寫我們對宇宙的理解。

但無論哪種方式，答案都在那里。

我們只需要繼續看著，繼續等待。

(本文完)