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图源：unsplash
如果存在的时间足够长，宇宙中的某些物质最终可能会消失；还有一些物质，无论我们观察多久，都不会看到它们的衰变。但这并不一定意味着它们就是稳定的，只能说它们可能不稳定但寿命超过了某个可测量的极限。
虽然我们已知大量的粒子（包括基本粒子和复合粒子）都不稳定，但至少就目前我们能够测量的精度而言，有少数几个粒子似乎是稳定的。
（宇宙中所有已知的物质都由基本粒子和复合粒子构成。但根据观察，只有少数基本粒子是稳定的，不会衰变成其他粒子。但仍需继续观察是否所有基本粒子和复合粒子都在某种程度上不稳定。| 图源：布鲁克海文国家实验室/RHIC）
但是，它们是否真的完全稳定？即使宇宙时钟永远向前运行，它们也永远不会衰变吗？还是说，如果我们等待的时间足够长，最终会看到一些甚至所有的粒子衰变？如果一个之前被认为是稳定的原子核、一个单独的质子，甚至是电子、中微子、光子等基本粒子发生衰变，这对宇宙意味着什么？如果我们生活在一个物质根本不稳定的宇宙中，又意味着什么？
（图中显示了由夸克、胶子和夸克自旋组成的质子内部结构。核力就像弹簧，未拉伸时，力可以忽略不计。但拉伸到很大距离时，就会产生很大的引力。据我们所知，质子是一种真正稳定的粒子，从未被观察到衰变。| 图源：布鲁克海文国家实验室）
“任何形式的物质都不稳定”实际上是一个相对新颖的观点：只是用以解释19世纪末发现的放射性元素。含有镭、氡、铀等元素的物质似乎会自发地产生能量，仿佛是由某种内在的发动机提供动力。
随着时间的推移，这些反应的真相被揭示：这些原子的原子核正在经历一系列的放射性衰变。最常见的三种类型是：
· α（阿尔法）衰变：原子核射出一个粒子（带有2个质子和2个中子），使元素周期表上的2个元素向下移动。
· β（贝塔）衰变：原子核将一个中子转化为质子，同时释放出一个电子（β粒子）和一个反电子中微子，使元素周期表中的1个元素向上移动。
· γ（伽马）衰变：原子核处于激发态时，会释放出一个光子（γ粒子），并过渡到低能状态。
（α衰变指较重的原子核释放出α粒子（氦核），从而形成更稳定的结构并释放能量的过程。α衰变、β衰变和γ衰变，是天然元素发生放射性衰变的主要方式。 | 图源：塞浦路斯大学核物理实验室）
在上述反应结束时，剩余的总质量（生成物）总是小于开始时的总质量（反应物），剩余的质量通过爱因斯坦著名的方程E=mc2转化为纯能量。如果你在2003年之前了解过元素周期表，你可能会知道第83号元素铋是最重的稳定元素，每一个比它重的元素都要经历某种形式的放射性衰变（或衰变链），直到达到真正稳定。
但在2003年，科学家们发现铋的每一种同位素都不稳定，包括丰富且天然存在的铋-209。它的寿命极长，半衰期大约是1019年：约为现在宇宙年龄的10亿倍。由于这一发现，我们现在报告第82元素铅是最重的稳定元素。但如果时间足够久，它也可能会衰变。
（虽然铋仍然被许多人认为是“稳定的”，但它本质上并不稳定，将在大约1019年的时间节点上发生α衰变。根据2002年进行的实验和2003年发表的文章，元素周期表已经被修订，以表明铋不是最重的稳定元素，铅才是。| 图源：MICHAELDAYAH）
在发现放射性之后的几十年里，人们都没有很好的理解放射性衰变发生的原因：这是一个固有的量子过程。某些守恒定律是物理定律中不可分割的一部分，就像能量、电荷、线动量和角动量这些量总是守恒。
也就是说，如果我们要测量任何候选反应的反应物和生成物（或物理上可能的生成物）的性质，它们必须始终相等。这些量不能自发地产生或消失，这就是物理学中“守恒”的含义。
但是，如果有多种构型遵守所有的守恒定律，那么其中的一些会比其他的更具有能量优势。“能量优势”就像一个圆球从山顶上滚下来。它将在哪里停下来？在底部吗？不一定。球可以在许多不同的低点那里停止，但其中只有一个是最低点。
（假真空中的标量场φ。请注意，如果你从山上滚下来，你可能会陷入“假”真空而不是真正的真空中。一般来说，你必须为假真空状态下的粒子提供足够的能量来跃过该势垒，但在量子宇宙中，有可能直接隧穿至真真空状态。)
在经典物理学中，如果你陷于这些“假极小值”之一，或者不是最低构型的低点中，就会被困在那里，除非出现某种物质给球提供足够的能量，使它上升到超出它所在低点的边界。只有这样，它才有机会重新开始下坡，有可能最终使它达到一个低能量的结构，可能最终在所有状态中处于最低能量（基态）。
但在量子物理学中，你不需要增加能量来实现跃迁。相反，在量子宇宙中，有可能在没有任何外部能量的情况下，自发地从一个假最小态跳到一个较低能量的构型——甚至直接跳到基态。这种现象称为量子隧穿，这是个概率过程。如果自然法则没有明确禁止这一过程的发生, 则一定会发生，唯一的问题是需要多长时间。
(跨越量子屏障的过程被称为量子隧穿，在给定的时间内发生隧穿的概率取决于各种参数，包括生成物和反应物的能量，所涉及的粒子之间允许的相互作用，以及到达最终状态所需的步骤数。| 图源：格里菲斯大学/量子动力学中心/AASF)
一般来说，有几个主要因素决定不稳定（或准稳定）状态的持续时间。
· 反应物和生成物之间的能量差是多少？（差异越大，百分比差越大，生命周期越短。）
· 从当前状态到最终状态的过渡是如何被抑制的？（即能量屏障的大小？）
· 从初始状态到最终状态需要多少“步骤”？（步骤越少，过渡的可能性越大。）
· 到达目的的量子路径的本质是什么?
像自由中子这样的粒子并不稳定，因为它可以发生β衰变，转变成质子、电子和反电子中微子。（严格地说，β衰变的一个下夸克衰变成了一个上夸克。）另一种不同的量子粒子——μ介子也不稳定，也会发生β衰变，转变为电子、反电子中微子和μ介子中微子。
它们都是弱衰变，而且都是由同一规格的玻色子介导。但由于中子衰变的生成物占反应物质量的99.9%，而μ介子衰变的生成物只占反应物质量的~0.05%，因此μ介子的平均寿命以微秒计，而自由中子的寿命约为15分钟。
(大质量原子核中的核β衰变示意图。β衰变是一种通过弱相互作用进行的衰变，将中子转换为质子、电子和反电子中微子。自由中子的平均寿命约为15分钟，但束缚中子在我们测量到的范围内可以保持稳定。)
只要不稳定粒子的寿命在人类时间尺度内，单独测量它们是确定其特性的绝佳方法。你可以一次次地观察它们，看看它们稳定状态持续多久，直至最终衰变消失。
但对于生命周期极长的粒子——甚至比宇宙的年龄还要长——这种方法就行不通了。对于像铋-209这样的粒子，即使等上整个宇宙年龄的时长（约1010年），它衰变的几率也不到十亿分之一。
但如果你采集了大量的铋-209个粒子，就像阿伏伽德罗常数（6.02×10的元素），那么一年之后，其中逾3万个粒子会衰变。如果你的实验足够灵敏，能够测量出样品中原子组成的微小变化，你就能够检测并量化铋-209的不稳定性。
这个想法是对上个世纪80年代粒子物理学中一个重要观点——大统一理论——的关键测试。
(物质和反物质（X和Y，以及反X和反Y）等对称的玻色子集合，如果具有正确的GUT属性，可能会导致我们今天在宇宙中发现的物质或反物质的不对称性。在大统一理论中，额外的新粒子与标准模型粒子耦合，如图所示的X和Y玻色子，将不可避免地导致质子衰变，但必须抑制质子衰变才能与观测结果一致。| 图源：E.SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)
在当前的低能宇宙中，我们有四种基本力：引力、电磁力、强核力和弱核力。在高能量下，其中的电磁力和弱核力会合二为一成为电弱力。在更高的能量下，基于粒子物理学中的群论的重要观点，理论上认为强核力与电弱力是一致的。这种观点被称为“大统一”，将对物质的重要组成部分——质子——产生重要影响。
仅在标准模型下，质子没有较好的衰变途径，它的生命周期如此之长。如果我们自宇宙大爆炸以来的生命周期内监测宇宙中的每一个质子，应该没有一个质子会衰变。
但如果“大统一理论”正确，那么质子应该很容易衰变为介子和（反）轻子，而且在最简单的模型中，它的寿命应该“仅”有1030年。尽管很难以理解，但物理学家能够验证这一点。
(“超级神冈探测器”包含了巨大的装满(富含质子的)水的容器，周围环绕着数组探测器，是人类寻找质子衰变最灵敏的工具。截至2020年初，我们仅对潜在质子衰变限制，但随时都有可能出现信号。 | 图源：东京大学神冈天文台宇宙射线研究所)
你要做的就是在一个地方收集足够的质子（例如来自水分子中的氢原子），并建立足够灵敏的检测器组，以识别质子衰变时出现的明显信号。如果你将其中的10³⁰个原子放在一起，然后等上一年，如果它们的半衰期短于10³⁰年，则应该能够测量出它们的半衰期，否则就对其生命周期设置下限。
经过数十年的实验，结合我们从中微子探测器实验中了解到的质子生命周期信息，我们现在知道质子的寿命不得短于约10³⁵年。
这告诉我们最简单的大统一理论不能反映现实，但它并不能告诉我们质子是否真的稳定。同样，“稳定”的原子核可能某天会衰变；电子、中微子和光子也可能某天会衰变，甚至引力波或空间本身也未必永恒。
我们对非标准模型物理学的一些最强有力的约束来自于没有观测到的衰变和其他衰变。在我们的测量限度内，宇宙的大部分成分都是稳定的。
(由于宇宙中的束缚态与完全自由的粒子不同，通过测量原子和分子的衰变特性，质子和电子与其它复合结构的束缚，可以想象质子比我们观察到的更不稳定。然而，我们在所有实验设备中观察到的所有质子中，从未见过质子衰变的例证。| 图源：GETTYIMAGES)
但是，宇宙中的物质在某种形式下是否真的稳定？或者说，如果我们等待任意长的时间，它最终会以某种方式衰变？需谨记，我们通过实验测量的内容仅限于我们这种实验方式。
例如，一个自由中子的平均生命周期约为15分钟，但中子星中的中子有足够的结合能，因此它是完全稳定的，即永远不会衰变。同样，质子或某些原子核可能在本质上不稳定，但因为我们在测量它们时，它们被束缚在原子和分子中，所以我们认为它们是稳定的。我们的结论只能基于得出此结论的实验。
(根据质子的基本组成粒子的转变，阐明了质子衰变的两种可能途径。这些过程从未被观察到，但从理论来看，标准模型的许多扩展都会发生这些衰变，如SU(5)大统一理论。 | 图源：JORGELOPEZ, REPORTS ON PROGRESS IN PHYSICS 59(7), 1996)
不过，我们已经测量了这么多基本粒子和复合粒子的稳定性，这一事实使我们在许多方面都对标准模型的可能修改施加了最严格的约束。简单的大一统模型被排除在外。许多超对称理论完全是一条死路。其他引入新粒子的想法，包括人工色理论和涉及额外维度的理论，都受到宇宙中可观测稳定性物质的限制。
尽管物质在宇宙中的最终命运尚未确定，但我们对其的了解已经超越了20世纪和21世纪物理学家们编造出的大胆想法。我们可能不知道宇宙是什么，但我们相当了解宇宙不是什么。
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文章来源: https://twgreatdaily.com/zh-hans/8Zk0sXUB2uKmW_kOMV1j.html