Каждый атом вашего тела — это бомба замедленного действия с таймером на триллионы триллионов лет. Физики десятилетиями твердили нам, что протоны вечны, что барионное число — это священная корова квантовой механики, которую нельзя трогать. А теперь выясняется, что корова-то, похоже, смертна. И когда она падёт, вместе с ней рухнет вся материя во Вселенной — включая ту, из которой сделаны ваши мечты, ваша ипотека и ваш любимый кот.
Добро пожаловать в мир, где даже самые фундаментальные законы природы оказываются всего лишь очень хорошими приближениями. Мир, в котором физики строят подземные соборы размером с небоскрёбы, заполненные пятьюдесятью тысячами тонн сверхчистой воды, чтобы поймать момент смерти одного-единственного протона. Мир, в котором стабильность материи — это не данность, а статистическая флуктуация.
Священное число, которое оказалось не таким уж священным
В физике элементарных частиц существует негласная иерархия законов. Есть законы, которые нарушаются при каждом удобном случае — вроде сохранения чётности, которое слабое взаимодействие попирает с какой-то даже вызывающей наглостью. А есть законы, которые считались абсолютными, незыблемыми, высеченными в самой ткани пространства-времени.
Закон сохранения барионного числа принадлежал ко второй категории. Суть его проста до безобразия: количество барионов (протонов и нейтронов) во Вселенной должно оставаться постоянным. Протон не может просто взять и исчезнуть, превратившись в лёгкие частицы вроде позитрона и пиона. Это было бы так же абсурдно, как если бы ваш банковский счёт внезапно обнулился просто потому, что электронам в компьютере банка стало скучно.
И вот тут начинается самое интересное. В 1970-х годах физики-теоретики, не удовлетворённые существованием трёх отдельных фундаментальных взаимодействий (электромагнитного, слабого и сильного), решили их объединить. Звучит благородно, почти по-рыцарски — навести порядок в хаосе квантового мира. Но у этого объединения была тёмная сторона.
Теории великого объединения — или GUT, как их ласково называют посвящённые — предсказали нечто шокирующее: при сверхвысоких энергиях кварки могут превращаться в лептоны. А это означает только одно — протон смертен. Не в том смысле, что его можно разбить коллайдером. Нет. Он умрёт сам, тихо и незаметно, просто потому что квантовая механика допускает туннелирование через любой барьер, каким бы высоким он ни казался.
Протон как иллюзия стабильности
Давайте на секунду остановимся и оценим масштаб иронии. Протон — это, пожалуй, самая стабильная штука во Вселенной. Нейтроны живут в свободном состоянии всего пятнадцать минут, после чего распадаются на протон, электрон и антинейтрино. Мюоны существуют микросекунды. Пионы — наносекунды. А протон сидит себе спокойненько и смотрит на весь этот парад смертности с олимпийским спокойствием.
Современные эксперименты установили нижнюю границу времени жизни протона: больше 10³⁴ лет. Это число настолько огромно, что человеческий мозг просто отказывается его осмысливать. Возраст Вселенной — жалкие 14 миллиардов лет, то есть примерно 10¹⁰ лет. Протон живёт как минимум в 10²⁴ раз дольше. Если бы возраст Вселенной был одной секундой, время жизни протона измерялось бы квадриллионами лет.
И тем не менее, физики уверены: протон не вечен. Потому что ничто не вечно. Потому что симметрии должны нарушаться. Потому что математика теорий великого объединения слишком красива, чтобы быть неправильной. Да, вы не ослышались — физики-теоретики буквально готовы объявить материю смертной на основании эстетических соображений.
Впрочем, у них есть и более весомые аргументы. Барионная асимметрия Вселенной — тот факт, что материи вокруг гораздо больше, чем антиматерии — необъяснима без нарушения сохранения барионного числа. Если бы этот закон был абсолютным, Большой взрыв произвёл бы равные количества вещества и антивещества, они бы аннигилировали друг с другом, и во Вселенной не осталось бы ничего, кроме фотонов. Ни галактик, ни звёзд, ни планет, ни вас с вашим смартфоном.
Охотники за невозможным
Как же поймать событие, которое происходит реже, чем раз в триллион триллионов лет? Ответ физиков элегантен в своей грубой силе: если нельзя ждать достаточно долго, нужно наблюдать за достаточно большим количеством протонов одновременно.
Представьте себе бассейн. Теперь представьте, что этот бассейн вырыт на глубине километра под землёй, в заброшенной шахте где-нибудь в Японии или Канаде. Заполните его пятьюдесятью тысячами тонн воды, очищенной до такой степени, что в ней не осталось практически ничего, кроме молекул H₂O. Обложите стены двенадцатью тысячами фотоумножителей — приборов настолько чувствительных, что они регистрируют отдельные фотоны.
Теперь ждите. Если один протон из этих 10³³ штук соизволит распасться за время вашего эксперимента, вы увидите характерную вспышку черенковского излучения — голубоватого свечения, возникающего, когда заряженная частица движется в среде быстрее скорости света в этой среде. Детектор Super-Kamiokande в Японии работает именно по такому принципу уже почти тридцать лет.
Результат? Ни одного достоверно зарегистрированного распада протона.
Для физика-теоретика это, конечно, удар под дых. Простейшие версии теорий великого объединения, предсказывавшие время жизни протона порядка 10³⁰ лет, уже исключены экспериментально. Но теоретики — народ живучий. Они просто придумали более сложные теории, с более длительным временем распада. Суперсимметрия и её производные предсказывают время жизни протона порядка 10³⁵-10³⁶ лет. Это уже на грани возможностей современных детекторов, но следующее поколение экспериментов — Hyper-Kamiokande, DUNE, JUNO — обещает добраться и до этих величин.
Эсхатология в тераэлектронвольтах
Допустим, физики правы, и протон действительно распадается. Что это означает для Вселенной? Ничего хорошего — если вы привязаны к материальному миру.
На временных масштабах 10³⁴ лет все звёзды давно погаснут. Галактики рассеются. Чёрные дыры испарятся через излучение Хокинга. Останется разреженный суп из электронов, позитронов, нейтрино и фотонов, дрейфующих в бесконечно расширяющемся пространстве. Температура Вселенной будет стремиться к абсолютному нулю.
И вот в этой финальной тьме начнётся последний акт космической драмы. Протоны — те самые протоны, что составляют ядра атомов водорода, рассеянного по космическому пространству — начнут тихо исчезать. Один за другим. Превращаясь в позитроны и нейтральные пионы, которые тут же распадутся на гамма-кванты.
Через 10⁴⁰ лет или около того не останется ни одного протона. Вселенная перейдёт в состояние максимальной энтропии — тепловую смерть, но теперь уже окончательную. Не останется даже строительного материала для гипотетических новых структур.
Это, друзья мои, и есть истинный конец — не с громом и молниями, а с тихим квантовым шёпотом миллиардов распадающихся протонов.
Материя как временное недоразумение
Знаете, что во всём этом по-настоящему завораживает? Не масштабы времени и не экзотическая физика, а смена парадигмы. Мы привыкли думать о материи как о чём-то фундаментальном, первичном, данном. Атомы — это кирпичики мироздания, говорили нам в школе. Материя не создаётся и не уничтожается, гласил закон Ломоносова-Лавуазье.
А теперь выясняется, что материя — это не более чем очень медленно тающий лёд. Да, он тает так медленно, что никто из нас этого не заметит. Но он тает. Протон — этот символ стабильности, этот якорь реальности — оказывается таким же эфемерным, как утренний туман. Просто временной масштаб другой.
Философы, конечно, ухватятся за это обеими руками. Буддисты скажут: мы же говорили, всё непостоянно. Экзистенциалисты добавят: даже материя лишена сущности. А физики пожмут плечами и пойдут строить ещё больший детектор.
Но есть в этом и странное утешение. Если ничто не вечно — ни звёзды, ни галактики, ни сами атомы — то, возможно, вечность никогда и не была правильной метрикой для оценки значимости. Может быть, ценность момента не в его длительности, а в его интенсивности. Может быть, Вселенная, которая умеет умирать, более живая, чем застывшая вечность.
А может быть, физики просто ошибаются, и протоны действительно вечны. Это тоже возможный исход. Наука — не религия; она умеет признавать свои заблуждения. Если через пятьдесят лет экспериментов распад протона так и не будет обнаружен, теории великого объединения придётся серьёзно пересмотреть.
Но пока подземные соборы науки продолжают свою тихую вахту. Тысячи фотоумножителей всматриваются в темноту сверхчистой воды, ожидая крошечной вспышки света — сигнала о том, что один протон закончил своё существование. Возможно, это произойдёт завтра. Возможно — никогда. В любом случае, само ожидание уже изменило наше понимание реальности.
Когда нерушимое рушится
Вся история физики — это история крушения абсолютов. Абсолютное пространство Ньютона уступило место искривлённому пространству-времени Эйнштейна. Детерминизм классической механики растворился в вероятностном тумане квантовой теории. Теперь на очереди — сохранение барионного числа.
И знаете что? Это прекрасно.
Потому что каждое такое крушение открывает новые горизонты. Нарушение чётности подарило нам понимание слабого взаимодействия. Отказ от абсолютного времени привёл к ядерной энергии и GPS. Что подарит нам обнаружение распада протона?
Возможно — ключ к объединению всех сил природы. Возможно — понимание того, почему Вселенная вообще существует, а не представляет собой однородную смесь излучения. Возможно — технологии, которые мы сейчас не можем даже вообразить, точно так же, как Фарадей не мог вообразить смартфон, играя с магнитами и проволочками.
А пока — протоны вашего тела продолжают существовать. Скорее всего, они просуществуют ещё очень, очень долго. Достаточно долго, чтобы вы успели дочитать эту статью, выпить кофе и задуматься о том, насколько удивительна Вселенная, в которой даже вечность оказывается конечной.