Останемся ли мы на вечность? Или когда-нибудь распадется?
«Я верю в устойчивые законы красоты и полезности природы. Весна будет насаждать, а осень собирать урожай до скончания века». - Роберт Браунинг
Как и все остальное, что мы когда-либо непосредственно наблюдали во Вселенной - галактики, звезды и планеты - люди состоят из частиц Стандартной модели элементарных частиц. И, в частности, наши тела (наряду с галактиками, звездами и планетами) состоят из определенных комбинаций лишь нескольких из этих частиц: мы сделаны из атомов.
Атомы, в частности, представляют собой особую форму материи. Они состоят из связанных состояний электронов, вращающихся вокруг ядра атома. В то время как сила электромагнитного взаимодействия и взаимодействие между (отрицательно заряженными) электронами и (положительно заряженным) ядром определяют размер атома, масса самого атома - , по крайней мере, на 99,94% определяется исключительно атомное ядро.
И если вы заглянете внутрь ядра каждого атома, в их сердцевину, вы обнаружите, что эти ядра представляют собой комбинации всего двух типов нуклонов: протона и нейтрона. Связанные вместе в сотнях различных комбинаций, протоны и нейтроны не только определяют, к какому типу элементов относится ваш атом, но и определяют, стабилен ли ваш атом.
Внутри человеческого тела буквально более 10^28 атомов, из которых состоит человек.
Правильно: более 10 000 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 атомов в каждом отдельном человеческом теле. Хорошо известно, что некоторые из этих атомов радиоактивны, например висмут, уран и торий, но даже эти элементы всегда сохраняют общее число нуклонов; они либо превращают нейтрон в протон и испускают при этом другие частицы, либо распадаются, испуская ядро гелия из основного, родительского ядра.
Даже свободный нейтрон - нестабилен, хотя и - распадается на протон (и еще что-то), сохраняя общее число нуклонов.
А как же протоны, спросите вы? Более 10²⁷ атомов в организме каждого человека являются простыми атомами водорода, с одним протоном в качестве ядра.
Возможно ли, что сами эти протоны нестабильны? Согласно многим идеям в физике (таким как теории Великого объединения), сам протон может предположительно распасться!
Но если он разлагается, то должен жить очень долго. В отличие от нейтрона, который распадается примерно через 15 минут, у протона должно быть невероятно долгое время жизни.
Мы можем понять это, просто используя наши тела! С (если быть немного более точным) 4 x 10²⁷ старых добрых протонов внутри вас - из ядер ваших атомов водорода - у вас не могло бы быть слишком много их распада, иначе вы сами высвободили бы слишком много энергии!
Как это?
То же самое преобразование материи в энергию, которое приводит в действие Солнце и атомные бомбы - то же самое E=mc^2 - может также быть результатом чего-то столь безобидного, как протон, который по своей природе нестабилен. Всякий раз, когда частица вещества радиоактивно распадается, эта радиоактивная энергия возникает из-за разницы масс продуктов и реагентов, а также из-за того, что E=mc^2.
Ну и знаете что? Люди излучают внутреннюю энергию, как и все теплокровные существа.
Это неочевидно в видимом свете, но если вы посмотрите в инфракрасном свете, вы увидите, что люди, по сравнению с внешней средой, постоянно излучают свое тепло в более прохладный воздух вокруг них..
Чтобы поддерживать правильную температуру, вам нужно тратить энергию, чтобы компенсировать то, что вы постоянно излучаете. Для взрослого человека размером с типичного взрослого мужчину расчеты показывают, что каждый из нас вырабатывает около 100 Вт мощности: это 100 Дж энергии. энергии каждую секунду, как лампочка накаливания старой школы.
Даже если вы получаете 100% этой энергии от распадающихся протонов, это ограничивает количество протонов, которые могут распадаться каждую секунду в вашем теле, не более чем примерно 600 миллиардов.
Но, основываясь на огромном количестве протонов в вашем теле (вот откуда появляется цифра 4 x 10²⁷), вы можете понять, что - в среднем - на это требуется как минимум сотни миллионов лет для распада типичного протона. На самом деле люди такие же, как и все другие теплокровные существа, и мы не получаем наши 100 Вт энергии от распадающихся протонов.
Мы получаем его из химической энергии, в основном от поедания кроликов. Нет, просто прикалываюсь; мы получаем его от употребления калорийной пищи. Только для того, чтобы поддерживать нормальную температуру тела взрослого мужчины, требуется около 2000 пищевых калорий в день. (На самом деле одним из самых ранних симптомов недоедания является падение температуры тела.)
Но если мы хотим как можно точнее проверить, распадаются протоны или нет, вы знаете, как это сделать. Вы собираете как можно больше из них вместе, строите вокруг них гигантский детектор и ищете характерные признаки их распада.
В Камиоке, Япония, они сделали именно это. Они построили резервуар с тысячами тонн воды внутри и детекторами фотонов снаружи. Если бы какой-либо из протонов распался, высокоэнергетические продукты распада испустили бы характерные световые сигналы, что позволило бы нам не только измерить, распалось ли что-нибудь, но и сколько из этих атомов распалось.
Вы берете резервуар из 10³² протонов, ждете год, и если ни один из них не распался, вы знаете, что период полураспада протона составляет не менее 10³² лет!
И хотя эти установки гигантских резервуаров оказались невероятно полезными для обнаружения космических нейтрино, все когда-либо проведенные эксперименты дали нулевые результаты для распада протонов. В целом, наилучшие ограничения, которые у нас есть, говорят нам, что время жизни протона составляет не менее 10³⁵ лет, что на самом деле неплохо, учитывая, что сама Вселенная около 10¹⁰ лет!
Протон настолько стабилен, что фактически представляет собой проблему для значительного числа Теорий Великого Объединения. На самом деле, просто основываясь на этом ограничении, мы можем сказать, что в лучшем случае существует только 0,001% шанс, что хотя бы один протон в вашем теле распадется за всю вашу жизнь, и что все звезды на небе, которые когда-либо сформируются, будут иметь сгорает за время меньшее, чем среднее время жизни протона. Но действительно ли он стабилен или просто нестабилен в масштабах времени, превышающих те, которые мы смогли измерить?
Это, по крайней мере, все еще открытый вопрос.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!