[Перевод] Насколько стабильно вещество, из которого мы состоим?

Я верю, что у природы есть стабильные законы красоты и полезности. Весна сажает, осень собирает, и так до конца времён.
— Роберт Браунинг

Как и всё остальное, что есть во Вселенной – галактики, звёзды, планеты – люди состоят из атомов.

И так же, как у галактик, звёзд и планет, более 99,9% массы вашего тела состоит не просто из атомов, а из атомных ядер.

И если мы заберёмся в самое сердце атома, мы обнаружим, что его ядро состоит из комбинации двух простых нуклонов: протона и нейтрона. Протон и нейтрон связываются в сотни разных комбинаций, и определяют не только тип атома, но и его стабильность. А человеческое тело составляет не менее 10²⁸ атомов.

Более 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 атомов в каждом человеке. И некоторые из этих атомов известны своей радиоактивностью, например, висмут, уран, торий, но и они всегда сохраняют общее число нуклонов. Даже свободный нейтрон, хоть он и не стабилен, распадается на протон (и кое-что другое), сохраняя общее число нуклонов.

А что насчёт протонов? Более 10²⁷ атомов в человеке – это атомы водорода, у которых ядро состоит только из одного протона. Возможно ли, что эти протоны нестабильны? Согласно некоторым идеям физики (таким, например, как различные Теории великого объединения), протон тоже может распадаться!

Но если это так, его время жизни должно быть очень большим. Нейтрон распадается в течение 15 минут, но протон должен жить очень долго. Мы можем понять это, просто используя наши тела. С 4 * ²⁷ протонами внутри нас – в ядрах атомов водорода – нельзя допустить, чтобы большое их количество распадалось. Тогда бы мы сами по себе испускали слишком много энергии!

Вам интересно, почему?

Так же, как материя превращается в энергию в Солнце и атомных бомбах, она могла бы появляться и из таких спокойных вещей, как протоны. И знаете, что? Люди ведь на самом деле излучают энергию, как и все теплокровные приматы.

В видимом спектре это неочевидно, но если взглянуть в инфракрасном свете, станет видно, что люди относительно окружающей их среды постоянно излучают тепло в более холодный воздух вокруг.

Чтобы выдерживать нужный температурный режим, необходимо потреблять энергию, чтобы компенсировать ту, что постоянно излучается. Взрослый человек моего размера должен излучать 100 Вт энергии – это 100 Джоулей в секунду, примерно как лампа накаливания.

Даже если бы вы получали 100% этой энергии от распадающихся фотонов, это ограничивает количество фотонов, способных распадаться каждую секунду, всего лишь 600 миллиардами.

Но основываясь на огромном количестве фотонов в теле, можно понять, что в среднем протону требуется не менее сотен миллионов лет для того, чтобы распасться. И в реальности мы не излучаем 100 Вт энергии благодаря распаду фотонов.

Мы получаем её в виде химической энергии, поедая кроликов калорийную еду. Для поддержания нормальной температуры взрослому мужчине требуется примерно 2000 калорий в день. Один из первых симптомов недоедания – падение температуры тела.

Но чтобы точно проверить, распадаются ли фотоны, понятно, что нужно сделать. Нужно собрать их как можно больше в одном месте, построить гигантский детектор и искать сигнатуру распада.

Так и поступили в Камиоке, Япония. Построили резервуар с сотнями тонн воды и с детекторами фотонов по периметру. Если какой-либо из протонов распадётся, высокоэнергетические продукты распада оставят световые сигналы, позволив нам измерить не только факт распада, но и количество распавшихся атомов.

Если взять резервуар с 10³² протонами, подождать год, и обнаружить, что ни один не распался – то станет ясно, что их период полураспада составляет по меньшей мере 10³² года!

И хотя такое устройство оказалось очень полезным для создания детекторов космических нейтрино, все эксперименты с распадом протона не дали никаких результатов. В общем, исходя из полученных данных, время жизни протона должно составлять не менее 10³⁵ лет, что вполне неплохо, учитывая, что возраст Вселенной составляет всего около 10¹⁰ лет!

Протон настолько стабилен, что представляет собой проблему для множества Великих теорий объединения. Только на основе полученного нами времени жизни можно сказать, что шанс того, что во время вашей жизни любой из протонов вашего тела распадётся, составляет 0,001%. И вот насколько стабильна на фундаментальном уровне та материя, из которой мы сделаны.