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圖源：unsplash
如果存在的時間足夠長，宇宙中的某些物質最終可能會消失；還有一些物質，無論我們觀察多久，都不會看到它們的衰變。但這並不一定意味著它們就是穩定的，只能說它們可能不穩定但壽命超過了某個可測量的極限。
雖然我們已知大量的粒子（包括基本粒子和復合粒子）都不穩定，但至少就目前我們能夠測量的精度而言，有少數幾個粒子似乎是穩定的。
（宇宙中所有已知的物質都由基本粒子和復合粒子構成。但根據觀察，只有少數基本粒子是穩定的，不會衰變成其他粒子。但仍需繼續觀察是否所有基本粒子和復合粒子都在某種程度上不穩定。| 圖源：布魯克海文國家實驗室/RHIC）
但是，它們是否真的完全穩定？即使宇宙時鐘永遠向前運行，它們也永遠不會衰變嗎？還是說，如果我們等待的時間足夠長，最終會看到一些甚至所有的粒子衰變？如果一個之前被認為是穩定的原子核、一個單獨的質子，甚至是電子、中微子、光子等基本粒子發生衰變，這對宇宙意味著什麼？如果我們生活在一個物質根本不穩定的宇宙中，又意味著什麼？
（圖中顯示了由夸克、膠子和夸克自旋組成的質子內部結構。核力就像彈簧，未拉伸時，力可以忽略不計。但拉伸到很大距離時，就會產生很大的引力。據我們所知，質子是一種真正穩定的粒子，從未被觀察到衰變。| 圖源：布魯克海文國家實驗室）
「任何形式的物質都不穩定」實際上是一個相對新穎的觀點：只是用以解釋19世紀末發現的放射性元素。含有鐳、氡、鈾等元素的物質似乎會自發地產生能量，仿佛是由某種內在的發動機提供動力。
隨著時間的推移，這些反應的真相被揭示：這些原子的原子核正在經歷一系列的放射性衰變。最常見的三種類型是：
· α（阿爾法）衰變：原子核射出一個粒子（帶有2個質子和2個中子），使元素周期表上的2個元素向下移動。
· β（貝塔）衰變：原子核將一個中子轉化為質子，同時釋放出一個電子（β粒子）和一個反電子中微子，使元素周期表中的1個元素向上移動。
· γ（伽馬）衰變：原子核處於激發態時，會釋放出一個光子（γ粒子），並過渡到低能狀態。
（α衰變指較重的原子核釋放出α粒子（氦核），從而形成更穩定的結構並釋放能量的過程。α衰變、β衰變和γ衰變，是天然元素髮生放射性衰變的主要方式。 | 圖源：賽普勒斯大學核物理實驗室）
在上述反應結束時，剩餘的總質量（生成物）總是小於開始時的總質量（反應物），剩餘的質量通過愛因斯坦著名的方程E=mc2轉化為純能量。如果你在2003年之前了解過元素周期表，你可能會知道第83號元素鉍是最重的穩定元素，每一個比它重的元素都要經歷某種形式的放射性衰變（或衰變鏈），直到達到真正穩定。
但在2003年，科學家們發現鉍的每一種同位素都不穩定，包括豐富且天然存在的鉍-209。它的壽命極長，半衰期大約是1019年：約為現在宇宙年齡的10億倍。由於這一發現，我們現在報告第82元素鉛是最重的穩定元素。但如果時間足夠久，它也可能會衰變。
（雖然鉍仍然被許多人認為是「穩定的」，但它本質上並不穩定，將在大約1019年的時間節點上發生α衰變。根據2002年進行的實驗和2003年發表的文章，元素周期表已經被修訂，以表明鉍不是最重的穩定元素，鉛才是。| 圖源：MICHAELDAYAH）
在發現放射性之後的幾十年里，人們都沒有很好的理解放射性衰變發生的原因：這是一個固有的量子過程。某些守恆定律是物理定律中不可分割的一部分，就像能量、電荷、線動量和角動量這些量總是守恆。
也就是說，如果我們要測量任何候選反應的反應物和生成物（或物理上可能的生成物）的性質，它們必須始終相等。這些量不能自發地產生或消失，這就是物理學中「守恆」的含義。
但是，如果有多種構型遵守所有的守恆定律，那麼其中的一些會比其他的更具有能量優勢。「能量優勢」就像一個圓球從山頂上滾下來。它將在哪裡停下來？在底部嗎？不一定。球可以在許多不同的低點那裡停止，但其中只有一個是最低點。
（假真空中的標量場φ。請注意，如果你從山上滾下來，你可能會陷入「假」真空而不是真正的真空中。一般來說，你必須為假真空狀態下的粒子提供足夠的能量來躍過該勢壘，但在量子宇宙中，有可能直接隧穿至真真空狀態。)
在經典物理學中，如果你陷於這些「假極小值」之一，或者不是最低構型的低點中，就會被困在那裡，除非出現某種物質給球提供足夠的能量，使它上升到超出它所在低點的邊界。只有這樣，它才有機會重新開始下坡，有可能最終使它達到一個低能量的結構，可能最終在所有狀態中處於最低能量（基態）。
但在量子物理學中，你不需要增加能量來實現躍遷。相反，在量子宇宙中，有可能在沒有任何外部能量的情況下，自發地從一個假最小態跳到一個較低能量的構型——甚至直接跳到基態。這種現象稱為量子隧穿，這是個機率過程。如果自然法則沒有明確禁止這一過程的發生, 則一定會發生，唯一的問題是需要多長時間。
(跨越量子屏障的過程被稱為量子隧穿，在給定的時間內發生隧穿的機率取決於各種參數，包括生成物和反應物的能量，所涉及的粒子之間允許的相互作用，以及到達最終狀態所需的步驟數。| 圖源：格里菲斯大學/量子動力學中心/AASF)
一般來說，有幾個主要因素決定不穩定（或准穩定）狀態的持續時間。
· 反應物和生成物之間的能量差是多少？（差異越大，百分比差越大，生命周期越短。）
· 從當前狀態到最終狀態的過渡是如何被抑制的？（即能量屏障的大小？）
· 從初始狀態到最終狀態需要多少「步驟」？（步驟越少，過渡的可能性越大。）
· 到達目的的量子路徑的本質是什麼?
像自由中子這樣的粒子並不穩定，因為它可以發生β衰變，轉變成質子、電子和反電子中微子。（嚴格地說，β衰變的一個下夸克衰變成了一個上夸克。）另一種不同的量子粒子——μ介子也不穩定，也會發生β衰變，轉變為電子、反電子中微子和μ介子中微子。
它們都是弱衰變，而且都是由同一規格的玻色子介導。但由於中子衰變的生成物占反應物質量的99.9%，而μ介子衰變的生成物只占反應物質量的~0.05%，因此μ介子的平均壽命以微秒計，而自由中子的壽命約為15分鐘。
(大質量原子核中的核β衰變示意圖。β衰變是一種通過弱相互作用進行的衰變，將中子轉換為質子、電子和反電子中微子。自由中子的平均壽命約為15分鐘，但束縛中子在我們測量到的範圍內可以保持穩定。)
只要不穩定粒子的壽命在人類時間尺度內，單獨測量它們是確定其特性的絕佳方法。你可以一次次地觀察它們，看看它們穩定狀態持續多久，直至最終衰變消失。
但對於生命周期極長的粒子——甚至比宇宙的年齡還要長——這種方法就行不通了。對於像鉍-209這樣的粒子，即使等上整個宇宙年齡的時長（約1010年），它衰變的幾率也不到十億分之一。
但如果你採集了大量的鉍-209個粒子，就像阿伏伽德羅常數（6.02×10的元素），那麼一年之後，其中逾3萬個粒子會衰變。如果你的實驗足夠靈敏，能夠測量出樣品中原子組成的微小變化，你就能夠檢測並量化鉍-209的不穩定性。
這個想法是對上個世紀80年代粒子物理學中一個重要觀點——大統一理論——的關鍵測試。
(物質和反物質（X和Y，以及反X和反Y）等對稱的玻色子集合，如果具有正確的GUT屬性，可能會導致我們今天在宇宙中發現的物質或反物質的不對稱性。在大統一理論中，額外的新粒子與標準模型粒子耦合，如圖所示的X和Y玻色子，將不可避免地導致質子衰變，但必須抑制質子衰變才能與觀測結果一致。| 圖源：E.SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)
在當前的低能宇宙中，我們有四種基本力：引力、電磁力、強核力和弱核力。在高能量下，其中的電磁力和弱核力會合二為一成為電弱力。在更高的能量下，基於粒子物理學中的群論的重要觀點，理論上認為強核力與電弱力是一致的。這種觀點被稱為「大統一」，將對物質的重要組成部分——質子——產生重要影響。
僅在標準模型下，質子沒有較好的衰變途徑，它的生命周期如此之長。如果我們自宇宙大爆炸以來的生命周期內監測宇宙中的每一個質子，應該沒有一個質子會衰變。
但如果「大統一理論」正確，那麼質子應該很容易衰變為介子和（反）輕子，而且在最簡單的模型中，它的壽命應該「僅」有1030年。儘管很難以理解，但物理學家能夠驗證這一點。
(「超級神岡探測器」包含了巨大的裝滿(富含質子的)水的容器，周圍環繞著數組探測器，是人類尋找質子衰變最靈敏的工具。截至2020年初，我們僅對潛在質子衰變限制，但隨時都有可能出現信號。 | 圖源：東京大學神岡天文台宇宙射線研究所)
你要做的就是在一個地方收集足夠的質子（例如來自水分子中的氫原子），並建立足夠靈敏的檢測器組，以識別質子衰變時出現的明顯信號。如果你將其中的10³⁰個原子放在一起，然後等上一年，如果它們的半衰期短於10³⁰年，則應該能夠測量出它們的半衰期，否則就對其生命周期設置下限。
經過數十年的實驗，結合我們從中微子探測器實驗中了解到的質子生命周期信息，我們現在知道質子的壽命不得短於約10³⁵年。
這告訴我們最簡單的大統一理論不能反映現實，但它並不能告訴我們質子是否真的穩定。同樣，「穩定」的原子核可能某天會衰變；電子、中微子和光子也可能某天會衰變，甚至引力波或空間本身也未必永恆。
我們對非標準模型物理學的一些最強有力的約束來自於沒有觀測到的衰變和其他衰變。在我們的測量限度內，宇宙的大部分成分都是穩定的。
(由於宇宙中的束縛態與完全自由的粒子不同，通過測量原子和分子的衰變特性，質子和電子與其它復合結構的束縛，可以想像質子比我們觀察到的更不穩定。然而，我們在所有實驗設備中觀察到的所有質子中，從未見過質子衰變的例證。| 圖源：GETTYIMAGES)
但是，宇宙中的物質在某種形式下是否真的穩定？或者說，如果我們等待任意長的時間，它最終會以某種方式衰變？需謹記，我們通過實驗測量的內容僅限於我們這種實驗方式。
例如，一個自由中子的平均生命周期約為15分鐘，但中子星中的中子有足夠的結合能，因此它是完全穩定的，即永遠不會衰變。同樣，質子或某些原子核可能在本質上不穩定，但因為我們在測量它們時，它們被束縛在原子和分子中，所以我們認為它們是穩定的。我們的結論只能基於得出此結論的實驗。
(根據質子的基本組成粒子的轉變，闡明了質子衰變的兩種可能途徑。這些過程從未被觀察到，但從理論來看，標準模型的許多擴展都會發生這些衰變，如SU(5)大統一理論。 | 圖源：JORGELOPEZ, REPORTS ON PROGRESS IN PHYSICS 59(7), 1996)
不過，我們已經測量了這麼多基本粒子和復合粒子的穩定性，這一事實使我們在許多方面都對標準模型的可能修改施加了最嚴格的約束。簡單的大一統模型被排除在外。許多超對稱理論完全是一條死路。其他引入新粒子的想法，包括人工色理論和涉及額外維度的理論，都受到宇宙中可觀測穩定性物質的限制。
儘管物質在宇宙中的最終命運尚未確定，但我們對其的了解已經超越了20世紀和21世紀物理學家們編造出的大膽想法。我們可能不知道宇宙是什麼，但我們相當了解宇宙不是什麼。
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