质子会死吗？

宇宙中所有可见的物质，行星、恒星、星系，包括你我都是由质子构成的。

质子是最简单的重子，由三个夸克组成，是宇宙中最基本的粒子之一。

现在有个问题：质子会死吗？

科学家告诉我们，质子的寿命至少是10³⁴年。这个数字大到什么程度？宇宙的年龄才138亿年，也就是10¹⁰年左右。而质子的寿命至少是宇宙年龄的一万亿亿倍。

但问题是，"至少"这个词意味着什么？

意味着我们不知道质子是否真的永生不死。

一

为什么有人会认为质子不稳定？

目前已知有100多种元素，1000多种同位素。其中绝大多数同位素都不稳定，会随时间衰变成更稳定的形式。

但也有80种元素拥有至少一种稳定的同位素，总共251种稳定同位素。

不过即便是这251种"稳定"同位素，物理学家也怀疑其中很多最终会衰变，只是寿命可能比宇宙的年龄还长。

关键问题是：有没有真正永远稳定的同位素？

这取决于两件事：

第一，是否存在一个能量更低的状态供它转变。

第二，量子规则是否真的完全禁止这种转变，还是只是抑制它。

如果只是抑制而不是禁止，那么无论概率多低，只要给足够的时间，衰变就会发生。

二

在量子世界里，有个现象叫"量子隧穿"。

2025年的诺贝尔物理学奖就颁给了这个领域的研究。

最好的比喻是这样的：想象一个球滚到山谷里停住了，而不是滚到山脚。在经典物理学中，要让这个球到达山脚，你必须给它足够的能量，让它翻过山谷周围的所有障碍。

但在量子世界里，你不需要"翻过"障碍。

你可以直接穿过去。

量子隧穿只关心是否存在一个能量更低的状态。只要没有任何定律绝对禁止这种转变，它就会发生。

一个常见的例子是核物理中的β衰变：中子可以衰变成质子、电子和反中微子。

这个衰变之所以能发生，是因为产物的总质量小于中子的质量，能量守恒，重子数守恒，轻子数也守恒。

但不是所有同位素都不稳定。氘核是一个质子和一个中子结合在一起的原子核，它不会自发衰变成两个质子，因为氘核的静止质量能量小于两个自由质子的静止质量能量。

换句话说，两个自由质子的能量比氘核更高。

那质子呢？

三

理论上，质子可以通过某些途径衰变。

这些衰变途径在能量上是有利的，守恒能量、动量和电荷。

但它们违反了重子数守恒和轻子数守恒。

这很关键。

到目前为止，我们从未观测到任何违反重子数或轻子数守恒的粒子物理相互作用。但如果你深入研究标准模型的方程，你会发现一件令人惊讶的事：

重子数和轻子数本身并不是显式守恒的。

标准模型只要求"重子数减去轻子数"这个组合严格守恒。

在量子物理学中，有一个原则叫"极权原则"：一切未被禁止的都是强制性的。如果某件事没有被禁止，那么它发生的概率就是正的、有限的、非零的。

既然我们有宇宙中所有的时间来等待任何可能的过程发生，那么我们只需要：

收集足够多的粒子，

建造一个足够灵敏的探测器，

然后等待。

如果某样东西会衰变，那么只要我们收集足够多，建造足够灵敏的基础设施，等待足够长的时间，我们最终会看到它发生。

四

那么为什么质子衰变这么重要？

因为它关系到宇宙最大的谜题之一：为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的。

根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，我们只能成对创造粒子和反粒子，数量相等。但我们观察到的宇宙，原子、行星、恒星、星系，全都是由正常物质构成的，没有等量的反物质。

这是怎么发生的？

自1960年代以来，我们知道物质反物质不对称可以从一个纯粹对称的初始状态中产生。宇宙只需要满足三个条件，叫做萨哈罗夫条件：

第一，宇宙必须处于热不平衡状态。这个条件热大爆炸给了我们。

第二，必须违反C对称和CP对称。标准模型给了我们一点，但不够多。

第三，必须有违反重子数的反应发生。这个从未被观测到。

因为我们生活在一个物质主导的宇宙中，我们不仅需要第三个条件发生，还需要比标准模型本身承认的更多的CP破坏。

这要求我们在理论上超越标准模型。

五

有几种可能的情况：

标准模型可能是一个更大的"大统一"框架的子集，其中额外的粒子可以介导重子的衰变及其向轻子的转化。

可能存在标准模型的超对称扩展。

标准模型预测的电弱对称性破缺可能被修改。

或者可能早期通过中微子部门产生了轻子不对称，然后电弱对称性破缺将其转化为重子不对称，这种情况叫做"轻子生成"。

重点是：肯定有某种方式在宇宙的过去产生了比反质子更多的质子。

如果一个反应可以在一个方向发生，那么反向反应也应该是可能的。

我们只需要重现正确的条件来实现它。

问题是，在每种重子生成的情况下，实现这些条件的方式都不同。

六

那我们怎么寻找质子衰变？

方法其实很直接：

建造装满含质子材料的大型容器，

周围安装对质子衰变产物敏感的探测器，比如光电倍增管，

屏蔽背景效应并量化探测器内的噪声，

然后等待，看是否有信号出现。

但我们需要认识到，我们只对某些情况下的衰变可能性敏感。

可以设想这样的重子生成情况：它不会导致自由质子的衰变，或者不会导致原子和分子中质子的衰变，但仍然存在违反重子数的相互作用。

换句话说，我们可能永远看不到质子衰变，但重子生成仍然发生过。

也可能我们看到了质子衰变，但仍然对重子生成的实际发生方式知之甚少。

七

有许多实验可以帮助我们约束质子衰变：

大型地下充满液体的中微子探测器，

南极的冰立方中微子观测站，

寻求直接探测暗物质的实验，

以及超灵敏的核衰变实验。

从这些实验的组合中，主要是中微子探测器，我们已经能够约束质子的寿命，如果它确实会衰变的话，必须大于10³⁴年。

这是一个了不起的约束：通过几十年的时间，观察相当于数万吨水的巨大数量的质子，没有出现一次衰变。

这与一些最简单的产生物质反物质不对称的方式相冲突。

最早和最令人兴奋的大统一理论框架之一叫做Georgi-Glashow或SU(5)统一，它将强力与电弱力统一起来。不幸的是，它预测质子寿命只有10³⁰年，这在1980年代初就被排除了。

许多超对称情况已被排除，电弱对称性破缺情况的某些方面也受到了LHC数据的轻微约束。

八

那质子到底稳定还是不稳定？

核心问题是，我们仍然不知道。

搜索已经对其稳定性施加了令人难以置信的约束，但在这些时间尺度之外，它仍然可能注定要衰变。

我们有很多搜索方法，但在真正成功之前，我们能做的就是进一步收紧它不发生的约束。

有趣的是，最初为寻找质子衰变而建造的实验催生了中微子天文学，但现在正是我们成功的中微子探测器对质子寿命施加了有史以来最严格的约束。

也许新一代粒子对撞机可以揭示重子生成之谜，以及一般的违反重子数的相互作用。

也许尚未被发现的衰变会让我们更多地了解质子的稳定性。

但现在，我们只能继续等待。

在装满水的巨大地下实验室里，在南极的冰层下，在世界各地的暗物质探测器中。

数万亿个质子，每一秒都在被监视。

等待着那个可能永远不会到来的时刻：

一个质子的死亡。

如果那一刻真的到来，它将改写我们对宇宙的理解。

如果它永远不来，那也会改写我们对宇宙的理解。

但无论哪种方式，答案都在那里。

我们只需要继续看着，继续等待。

(本文完)