Распад протона — невозможность 2,5 класса +85


Среди фундаментальных физических проблем особое место занимает самопроизвольный распад протона – явление гипотетическое и до сих пор не наблюдавшееся, реальность которого, однако, не удается не только подтвердить, но и опровергнуть. Протон является самой распространенной барионной частицей во Вселенной, а также самым распространенным носителем положительного заряда. Тем не менее, протон не является подлинно элементарной частицей, то есть, разложим на более легкие частицы. Гипотетически это может означать, что протон обладает некоторым невероятно долгим периодом полураспада, поэтому в далеком будущем вся материя, состоящая из протонов, развоплотится в фотоны и другие мелкие элементарные частицы (в частности, мезоны). Еще в 1970-е годы будущий нобелевский лауреат Стивен Вайнберг (1933-2021) указывал, что не существует физического закона, который бы принципиально исключал распад протона. Тем не менее, все эксперименты, поставленные по сей день, не зафиксировали ни одного распада протона. Об этих экспериментах, их контексте и подоплеке пойдет речь под катом.

Предыстория. Распад нейтрона

Уже в конце 1940-х годов появились ядерные реакторы, в достаточном количестве порождавшие свободные нейтроны. Оказалось, что нейтрон (который немного тяжелее протона) в атоме остается стабилен в течение неограниченного времени, а вот вне атома распадается на протон, электрон и антинейтрино, разлетающиеся в разные стороны. Период полураспада свободных нейтронов составляет около 613,9 секунд. Данный процесс был предсказан Фредериком Жолио-Кюри в 1934 году, а экспериментально подтвержден в 1948-1950 годах А. Снеллом, Дж. Робсоном и П. Е. Спиваком. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, то есть, строго говоря, является самым доступным и предсказуемым известным источником антивещества – пусть и этого антивещества от него ничтожно мало. Именно эти свойства нейтрона позволяют соотнести его с «нейтронием» - легчайшим газом, который Менделеев планировал расположить где-то на самой вершине своей таблицы.  

Свободный протон, в отличие от свободного нейтрона – совершенно обычная частица, встречается во Вселенной повсюду. Большая часть обычной (нетемной) материи в галактиках и вне них состоит из плазмы водорода – ионизированного газа, состоящего из голых протонов и отделившихся от них электронов. Если бы протоны были нестабильны, подобно нейтронам, то вся плазма быстро бы исчезла.

Но этого не наблюдается. Протоны, как в составе атомов, так и в свободном виде, совершенно стабильны. До сих пор не зафиксировано ни одного самопроизвольного распада протона.  При этом известно, что протон может расщепляться под действием космических лучей. Именно поэтому распад протона невозможно достоверно изучать на поверхности Земли или в атмосфере – события распада мы зафиксируем, но они будут спровоцированы. Для таких экспериментов нужны детекторы, расположенные глубоко под землей, и об этом мы также поговорим ниже.  

Важнейшую роль в фундаментальной физике играют законы сохранения: в частности, закон сохранения массы, закон сохранения энергии и закон сохранения заряда. Суммарный электрический заряд Вселенной, по-видимому, равен нулю, и из этого следует, что электроны также должны обладать абсолютной стабильностью. Не известно никаких отрицательно заряженных частиц, которые были бы легче электрона.   

Но электрон является подлинно элементарной частицей, а протон и нейтрон состоят из кварков, то есть, обладают делимостью. Протон примерно в 2000 раз массивнее электрона, и его потенциальный самопроизвольный распад может происходить несколькими способами. И, пусть нерадиоактивные атомы стабильны, не существует «закона сохранения протона».

Теории великого объединения

Тем важнее, что распад протона — желательное, если не необходимое условие многих «теорий великого объединения» (GUT, Grand Unification Theories). Это различные теории, предполагающие единообразное описание всех фундаментальных физических взаимодействий: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного.

Смотрим с левого верхнего изображения против часовой стрелки: гравитационное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие https://geektech.me/they-support-the-universe-how-the-four-main-forces-of-nature-work/
Смотрим с левого верхнего изображения против часовой стрелки: гравитационное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие https://geektech.me/they-support-the-universe-how-the-four-main-forces-of-nature-work/

В течение последних четырех десятилетий физики предлагали разнообразные GUT-модели, описывающие исходные симметричные наборы частиц.

Идея создать теорию великого объединения всемирных сил была впервые высказана в 1974 году Шелдоном Глэшоу (род. 1932, Нобелевская премия по физике 1979) и Говардом Джорджи (род. 1947). Они открыли математические группы симметрий, названные SU(3), SU(2) и U(1), описывающие, соответственно, сильные, слабые и электромагнитные силы. Вместе они образуют Стандартную Модель физики частиц и теоретически могут быть встроены в единую, еще более обширную группу симметрий SU(5), которая одновременно описывала бы все ныне известные элементарные частицы. Об открытии такой группы симметрий преждевременно объявили все те же Глэшоу и Джорджи, о чем будет подробнее сказано ближе к завершению статьи.

Какая-то из теорий Великого Объединения верна, и потенциально она позволила бы не только уточнить математику, лежащую в основе законов природы, но и разгадать до сих пор необъясненный феномен крайней редкости антивещества (по сравнению с веществом), открыть новые элементарные частицы, понять, почему гравитация настолько слабее прочих взаимодействий. Теме асимметрии вещества и антивещества я еще надеюсь посвятить отдельный пост, а об интересных теориях по поводу слабости гравитации (например, здесь упоминал, что гравитацию считают слабой, так как она может быть равномерно распределена не по трем, а по большему количеству измерений). Один из феноменов, которые не поддаются объяснению современной физикой – это наличие массы у нейтрино, а также незыблемая стабильность протона.

Протон и нейтрон не являются подлинно элементарными, так как состоят из кварков. Кварки невычленимы из протона или нейтрона, но согласно всем GUT-теориям, принципиально кварки аналогичны по свойствам частицам-лептонам. К лептонам относятся, в частности, электрон и мюоны. Но электроны в свободном состоянии существуют, а кварки – нет. Протоны и нейтроны – представители более тяжелых частиц, барионов. Вот кварковый состав протона и нейтрона (u – это «верхний» кварк, up, d – «нижний» кварк, down):

Одно из центральных положений всех GUT-теорий постулирует, что, по причине квантовой неопределенности и связанной с ней фундаментальной симметрии, кварки и антикварки должны иногда спонтанно превращаться в другие лептоны и антилептоны. Если подобное событие произойдет внутри протона, протон немедленно распадется, что будет сопровождаться вполне заметной вспышкой излучения. То же касается и нейтронов, но именно с целью зафиксировать распад протона был в 1982 году запущен проект «Камиоканде». Камиока — это регион в Японии, где на месте глубокой кадмиевой шахты удалось оборудовать и снабдить детекторами грандиозный резервуар: 40-метровый бак, в котором находится 50 000 тонн очень чистой воды.

Идея проверить, распадается ли протон самопроизвольно, была связана с природой протона как такового, природой полураспада и с законом больших чисел. Период полураспада – это время, за которое распадается половина всех атомов конкретного изотопа. Поскольку скорость полураспада постоянна, время жизни изотопа можно вычислить, зафиксировав хотя бы несколько событий распада и экстраполировав этот процесс. Моль – это основная единица для измерения количества вещества. В одном моле любого вещества содержится примерно 1024 молекул этого вещества, один моль умещается в полной горсти. В качестве эталона вычисления молярной массы (массы 1 моль вещества) обычно приводится углерод: 1 моль атомов углерода весит примерно 12 граммов. Если взять 1 моль заведомо нестабильных ядер, то можно быть уверенным, что рано или поздно в нем произойдет 1024 актов деления ядра – и по количеству таких актов в единицу времени рассчитать, когда изотоп распадется целиком. Если же отслеживать акты деления не в 1 моль, а в (значительно) большем количестве вещества, то можно найти изотопы с периодами полураспада, значительно превышающими возраст Вселенной. Для этого применяется формула

где T – время жизни изотопа, N – общее количество атомов, n – количество актов распада, зафиксированное за время t. Соответственно, если мы положили в детектор 1000 атомов изотопа и за год зафиксировали 10 актов распада, то период полного распада этого изотопа составляет 100 лет, а период полураспада – 50 лет.

Именно таким образом удалось вычислить время жизни самых прочных радиоактивных изотопов. Мне в этом ряду наиболее замечательным кажется открытие радиоактивности висмута-209 в 2003 году. Крайне медленный альфа-распад этого изотопа составляет (1,9 ± 0,2)⋅1019 лет, тогда как нынешний возраст Вселенной – около 13,9 миллиардов лет, на 9 порядков меньше. Соответственно, последним элементом в таблице Менделеева, имеющим стабильный изотоп, стал считаться свинец, расположенный на клетку левее висмута. Еще дольше просуществует изотоп теллур-128, чей период полураспада 2·1024 лет на 12 порядков больше возраста Вселенной.

Поскольку в одной молекуле воды содержится два "элементарных" протона (два атома водорода, а также протоны из атомов кислорода), в 50 000 тоннах воды в резервуаре Камиоканде находится 6·1033 отдельных протонов. С 1982 года ни один из них не распался. Таким образом, даже нижняя граница возможного периода полураспада протона составляет 1034 лет, а потенциально возможная – 1037 лет. Сейчас подлинно неделимыми частицами можно считать только электрон, фотон и нейтрино. При распаде электрона нарушался бы закон сохранения заряда (отрицательного заряда становилось бы меньше), фотон не может распадаться, поскольку не имеет массы, а нейтрино – так как обладает полуцелым спином. Но, теоретически, нейтрино должны аннигилировать с антинейтрино с образованием фотонов. Также потенциально неделимой частицей с нулевой массой является гравитон, пока не обнаруженный квант гравитационных волн (но он должен существовать, поскольку существуют гравитационные волны). Протон более чем в 2000 раз тяжелее всех этих частиц, поэтому его распад мог бы происходить примерно по такому принципу (с официального сайта лаборатории Super-Kamiokande):

Протон состоит из 3 кварков. Здесь через p0 обозначен пи-мезон, состоящий из 2 кварков и с вероятностью 98,798% мгновенно распадающийся на два кванта гамма-излучения. Третий кварк, присутствовавший в протоне, улетает в виде лептона, испуская при этом излучение Вавилова-Черенкова. По мнению команды Камиоканде, таким лептоном должен быть позитрон, положительно заряженная античастица, зеркальная электрону. Таким образом, распад протона позволял бы получать заряженное антивещество, которое можно было бы удерживать магнитным полем и уберегать от неконтролируемой аннигиляции с обычным веществом.

Но вернемся к теориям великого объединения.

По образцу SU(3), SU(2) и U(1) Глэшоу и Джорджи также построили модель SU(5) и пришли к выводу, что эта теория предполагает наличие целых 12 дополнительных носителей взаимодействий (плюс 12 наблюдаемых сегодня), и эти дополнительные носители (частицы) провоцировали бы распад протона. Когда SU(5) распалась на три взаимодействия (за исключением гравитации), наблюдаемых сегодня, остальные 12 носителей не исчезли, а всего лишь стали очень слабыми. По мысли Глэшоу и Джорджи, очень редко эти призрачные носители взаимодействий все-таки должны проявляться и превращать кварк в лептон. Джорджи с коллегами вычислили, что, если модель SU(5) верна, то типичный протон должен претерпеть распад когда-нибудь за 1029 лет.

Этот прогноз был независимо опровергнут в 1980-е в рамках эксперимента на детекторе IMB в США и Kamiokande в Японии. В 1996 году новый детектор Super-K, пришедший на смену Kamiokande, окончательно исключил срок жизни протона, укладывающийся в первую версию теории SU(5).

Итоги и последствия

Грандиозный детектор Super-K практически не стоял без дела. Оказалось, что его конструкция (подземное расположение + много чистой воды + высокоточные детекторы) превращает его в превосходный инструмент для регистрации нейтрино. Поскольку нейтрино свободно проходят через любую толщу материи, на такой глубине в детектор не может попасть более никаких частиц извне, а плотная сетка детекторов позволяет уловить нейтрино в количестве, достаточном для нужд теоретической физики. Так, в 2000 году Super-Kamiokande показал, что количество дневных и ночных нейтрино заметно отличается. А в конце января 2002 года в той же шахте начал работу новый детектор KamLAND, применяемый для изучения нейтринных осцилляций.

После того, как простейший вариант SU(5), предложенный Джорджи, не подтвердился, сами поиски SU(5) не прекратились – ведь, по сути, на ее роль подойдет любая теория, которая непротиворечиво описывала бы все известные элементарные частицы. В новые варианты теории вносились новые параметры и переменные, при учете которых распад протонов удалось бы «значительно замедлить». Так в физике появилась теория «суперсимметрии», которая, однако, требует удвоить количество элементарных частиц, и пока в реальности также не подтверждается. Более того, в рамках SU(5), учитывающей суперсимметрию, распад протона должен происходить с образованием некой неизвестной виртуальной частицы, масса которой составила бы колоссальные 1,78⋅10−9 грамма. Эта величина сравнима с массой 1000 бактерий.

Итак, в классификации невозможностей, сформулированной Митио Каку в знаменитой книге «Физика невозможного», распад протона занимает странное промежуточное положение между 2 и 3 классом. Мы не знаем физического закона, который подтверждал бы или опровергал бы потенциальную возможность спонтанного распада протона. С другой стороны, современная физика в принципе серьезно достроится, если в ней удастся найти место распаду протона. Распад протона позволил бы прояснить ситуацию с крайне неравным содержанием вещества и антивещества во Вселенной, а также стал бы важнейшей деталью на пути к созданию теории великого объединения и «новой физики», путь к которой может лежать через Большой Адронный Коллайдер. Поиски разгадки продолжаются.




Комментарии (47):

  1. Dmitry_Dor
    /#24367442 / +5

    Протоны, как в составе атомов, так и в свободном виде, совершенно стабильны.
    А как же бета-плюс-распад?

    image

    • kostushka
      /#24367676 / +13

      Это другое. β+-распад это результат взаимодействия протона с другими нуклонами ядра, он не распадается в том смысле, как имеет ввиду автор - превращается в более легкие элементарные частицы, а превращается в нейтрон + позитрон + электронное нейтрино, при этом барионное число сохраняется.

      • 15432
        /#24368030 / +2

        Но ведь и нейтрон не распадается на более лёгкие, он в протон превращается

        • kostushka
          /#24368542 / +4

          Все так. Когда говорят про распад протона, имеют ввиду превращение протона в более легкие частицы, например, пион + позитрон, что уже нарушило бы сохранение барионного и лептонного зарядов. А под распадом нейтрона подразумевают его β-распад, т.е. его превращение в протон+электрон+электронное антинейтрино, что не нарушает сохранение барионного и лептонного зарядов.

          Весь ажиотаж состоит в том, что гипотетический распад протона, как того требуют модели объединения взаимодействий, нарушил бы некоторые принципы физики элементарных частиц, впрочем ни лептонный, ни барионный заряды не связаны с какой-либо симметрией, и их сохранение является пока лишь эмпирическим правилом

          • Dmitry_Dor
            /#24368742 / +1

            А под распадом нейтрона подразумевают его β-распад
            Так в том-то и беда, что под распадом нейтрона подразумевают β-распад, а под распадом протона β+-распад не подразумевают :'(
            Другое дело, что поскольку нейтрон немного тяжелее протона, то для β-распада нейтрона энергия не нужна, и он может распасться в свободном состоянии, а для β+-распада протона нужна внешняя энергия.
            Но в местах, где внешней энергии для этого достаточно, например в ядрах звёзд главной звёздной последовательности, протон вполне успешно “распадается” в β+-распаде, что мы можем наблюдать, глядя на звезды (в т.ч Солнце)
            image

            • domix32
              /#24369246 / +1

              Под стабильностью подразумевается, что за все время жизни вселенной не найдется ни одного протона, который оформил бы бета-плюс распад без посторонней помощи. Нейтрон через пять-десять минут сам развалится, а протон так и будет летать, пока не приткнется в какой-нибудь атом или не пострадает от какой-нибудь ещё частицы.

            • kostushka
              /#24370330

              Вы имеете ввиду pp-реакцию протон-протонного цикла? там происходит ровно то же самое, что и при β+-распаде протоноперегруженных ядер, два протона образуют дипротон - для этого нужна энергия извне, чтобы преодолеть кулоновский барьер, который либо обратно распадается на два протона, либо превращается в дейтрон с очень малой вероятностью. Это классифицируется, как ядерная реакция, а не распад протона

              • Dmitry_Dor
                /#24370400 / +1

                Это классифицируется, как ядерная реакция, а не распад протона
                И тут мы возвращаемся к моему первому сообщению ветки habr.com/ru/post/667172/#comment_24367442 (с учётом выделения жирным) и приведённому там примеру, а также моему комментарию чуть ниже habr.com/ru/post/667172/#comment_24368192

      • Dmitry_Dor
        /#24368192 / +3

        он не распадается в том смысле, как имеет ввиду автор
        В том-то и дело, что в данном предложении мысль автора немного изменилась. Я специально выделил ключевые слова жирным.
        он не распадается в том смысле, как имеет ввиду автор — превращается в более легкие элементарные частицы, а превращается в нейтрон + позитрон + электронное нейтрино
        Ну, «распад» vs «превращение» это ИМХО уже софистика.
        Нейтрон при «распаде» (специально взял в кавычки) тоже «превращается» в протон + электрон + электронное антинейтрино
        Правда нейтрон тяжелее протона, и поэтому может «распасться» на него (а также “сопровождающие лица”), не беря энергию извне, а протону для «распада» нужна энергия
        при этом барионное число сохраняется.
        При распаде нейтрона барионное число тоже сохраняется.
        ₽$ Я понимаю, что хотел пытался сказать автор в своей статье, просто данная фраза ИМХО не слишком удачна, и после неё остаются подобные вопросы.

        • Zenitchik
          /#24372688 / +1

          Сперва совсем не то написал.

          По существу - согласен. Ядерные реакции с участием нейтрона - это тоже не распад нейтрона.

          • Dmitry_Dor
            /#24373104

            Ядерные реакции с участием нейтрона — это тоже не распад нейтрона.
            Но в этом случае фраза, процитированная мной в первом сообщении
            • Протоны, как в составе атомов, так и в свободном виде, совершенно стабильны.
            ИМХО должна была бы выглядеть примерно так
            • Протоны в свободном виде совершенно стабильны. Однако в составе атомов протоны и нейтроны могут распадаться в результате ядерных реакций (β+-распад и β-распад соответственно)

            ₽$ Хотя это уже какая-то софистика:
            • β-распад свободного нейтрона называют распадом нейтрона, а β-распад нейтрона в составе атома распадом нейтрона не называют
            • Протоны в свободном виде совершенно стабильны, а β+-распад протона в составе атома распадом протона не называют

            • Zenitchik
              /#24373728 / -1

              • β-распад свободного нейтрона называют распадом нейтрона, а β-распад нейтрона в составе атома распадом нейтрона не называют

              Да причём тут софистика? Ёж его знает, какими путями идёт распад нейтрона в составе ядра. Может это и не распад нейтрона напрямую, а взаимодействие с другими нуклонами, и общего у них - только входно-выходная характеристика?

  2. red_elk
    /#24367596 / +52

    "Соответственно, если мы положили в детектор 1000 атомов изотопа и за год зафиксировали 10 актов распада, то период полного распада этого изотопа составляет 100 лет, а период полураспада – 50 лет. "

    У вас изотоп распадается по линейному закону почему-то. В реальности если период полураспада 50 лет, то через 100 лет распадутся 75% атомов изотопа, а не 100%

    • v1000
      /#24367958

      Это как сравнивать классическую и квантовую механику.

    • Rsa97
      /#24368490 / +10

      Угу. И ещё, если за год распался 1% атомов (10/1000), то период полураспада будет
      log(1 − 0.01)0.5 = 68.9676 года.

  3. Aquahawk
    /#24367960 / +4

    История с висмутом очень хорошо показывает ограниченность предсказательной способности существующих теорий (не отрицая колоссальности достигнутых результатов). Вообще меня в своё время удивило, что радиактивен изотоп или нет определяется исключительно экспериментально и нет никакой теории которая бы могла сказать, стабилен ли изотоп. Насколько я понимаю и свинец занесён в стабильные просто потому что никто не наблюдал его распадов, если период полураспада ещё на несколько десятков порядков больше чем у висмута то шансов это обнаружитьраспады просто нет. С практической точки зрения конечно не важно, но с идеалистически теоритической это интересно.

    • adante
      /#24367972 / +5

      А может так оказаться, что стабильных элементов вообще не существует)

      • DSolodukhin
        /#24368592

        Если нестабильность протона подтвердится, то так оно и есть. Просто период полураспада будет ну очень большим.

      • sim2q
        /#24369552 / +1

        Четыре печати у буддистов:
        1. Всё составное непостоянно.
        ....
        А если серьёзно, хотя и очень далёк от темы,но распад протона меня сильно беспокоит!) /слежу за темой/
        Но есть же всякие флуктуации, в т.ч. каких-то запредельных энергий при этом с ничтожной, но не нулевой вероятностью.

    • YDR
      /#24368002 / +2

      есть некоторые соображения, связывающие время распада с составом ядра (я слышал об оболочечной модели ядра, но сейчас появилось, наверное, что-то более новое).

      Физика - экспериментальная наука. Вот вам как раз теории, предсказывающие распад ядра (пусть самого простого - ядра протия), которые проверкой не подтверждаются.

      Есть всякая торсионщина, которая красивая, но не подтверждается.

      Так что в физике роль практики - решающая.

      • dyadyaSerezha
        /#24369088 / +1

        Блин, ну если даже разные изотопы распадаются с разной скоростью, то понятно, что зависит от состава ядра. Это базовый факт, а не "некоторое соображение".

        • YDR
          /#24377448

          там даже дальше пошли, не просто констатировали факт, а составили модель. "двойные магические числа" - это оттуда.

    • YDR
      /#24368014

      Кстати, не просто "не наблюдал", а "очень искали явление, и оценили снизу время полу-распада исходя из параметров эксперимента: длительности, количества вещества, чувствительности датчиков".

    • Dmitry_Dor
      /#24368492

      свинец занесён в стабильные просто потому что никто не наблюдал его распадов, если период полураспада ещё на несколько десятков порядков больше чем у висмута
      Свинец обладает Магическим числом (а свинец-208 даже “дважды магическим”), а висмут нет :'(
      Правда почему “магические числа” обладают столь магическими свойствами (и всегда ли они проявляются) ИМХО полностью не объяснено, и поэтому пока есть в этом что-то магическое…

      • MechanicZelenyy
        /#24369100

        Магичность чисел объясняется в оболочечной модели.

        • Dmitry_Dor
          /#24369306

          Магичность чисел объясняется в оболочечной модели
          В оболочечной модели получается рекурсивное объяснение.
          — В первой оболочке 2 нуклона, во второй 8, в третьей 20, ну и так далее…
          — Но почему именно 2, 8, 20...?
          — Потому что числа магические!
          Например Электронная оболочка объясняется квантовой теорией, потому что иначе нельзя, запрещено (и кстати, числа там получаются другие), а для оболочечной модели ядра ИМХО подобного объяснения нет я не слышал.

          • MechanicZelenyy
            /#24369336 / +4

            Дык, оно точно такое же, протоны и нейтроны такие фермионы, как и электроны, на них распространяется принцип запрета Паули, и квантовые числа у них так же связаны с энергий оболчки, орбитальными и спиновыми моментами. Реально конечно там все гораздо сложнее, но для базового объяснения достаточно и упрощенном модели оболочек

            Например можно почитать здесь: http://nuclphys.sinp.msu.ru/nucmod/nucmod4.htm

            • Dmitry_Dor
              /#24371368 / +1

              Например можно почитать здесь
              Спасибо, интересно.
              Хотя красивое объяснение ИМХО получается только для первых “магических” чисел (2, 8, 20), дальше уже начинается натягивание совы на глобус подгон теории под результат. И насколько я понял, свежеоткрытое магическое число 34 не было предсказано теорией, и потребует очередного её тюнинга. И также непонятно, почему числа 40, 70, 112 оказались “немагическими”, хотя вроде как должны…
              Но зато с “дважды магическими” ИМХО красивое объяснение.
              Реально конечно там все гораздо сложнее
              Видимо так, но мне пока наверное достаточно, ведь «я не настоящий сварщик физик»©
              Ещё раз спасибо!

    • vassabi
      /#24368602

      а вся физика - теории, построенные на опытах. Причем несложно построить сложную теорию (с сотней подстроечных параметров), а вот простую теорию - ....

      • Dmitry_Dor
        /#24368874 / +5

        вся физика — теории, построенные на опытах.
        Важно, чтобы теория не только могла обьяснить результаты имеющихся опытов, но и предсказать новые.
        Например, ОТО не только объяснила аномальную прецессию перигелия Меркурия, но и предсказала отклонение света вблизи Солнца в момент полного солнечного затмения, что позже было подтверждено наблюдением Эддингтона.
        а вот простую теорию
        На первый взгляд Уравнение Эйнштейна очень простое:
        image
        Что такое π понятно, осталось лишь «понять», что такое G и T, и вот тут начинается самое интересное… 8-0

  4. LordDarklight
    /#24368574

    Вот бы 50килотонн антиводы (из антивещества атомов водорода и кислорода) - это был бы эксперимент по интереснее - как раз проверили бы теорию - что антипротон как раз возможно распадается, ну хотя бы быстрее чем обычный протон.

    • Goupil
      /#24368698 / +18

      50 килотонн антиводы, резко оказавшейся на нашей планете, очень быстро оборвало бы эксперимент и вообще всякую деятельность.

      • blind_oracle
        /#24368860 / +3

        ...и Луне, наверное, тоже досталось бы :)

        • Andriy1218
          /#24370122 / +1

          При взаимодействии 50 килотонн антиводы и 50 килотонн вещества выделится приблизительно 9*10^24 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 2148 тератонн ТНТ. То есть это энергия приблизительно 20 ударов астероида погубившего динозавров. С 95% жизни на Земле можно будет попрощаться.
          К Луне никакие обломки не долетят, а остаточное излучение вряд ли как-то повлияет на лунный грунт.

          Кстати, около 50 % энергии, высвобождающейся при аннигиляции, выделяется в форме нейтрино. В теории такой поток нейтрино сможет задетектить какая-то нейтринная обсерватория в соседних звездных системах.

      • LordDarklight
        /#24372078

        Ну не обязательно же затевать такие рискованные эксперименты в подвале своего дома. Это я же так - на будущее - ибо сначала надо научиться получать антиводу в таких объёмах - а это уровень технологий, наверное, на миллион лет вперёд

  5. Akito7
    /#24369082

    Какова возможная энергия фотонов при распаде протона? В космосе есть огромне скопления нейтрального водорода. По идее эти скопления должны светиться в диапазоне, соответсвующем фотонам при распаде протона. Также из этих скоплений можно искать излучение, соответсвующее аннигиляции электрона и позитрона.

  6. dyadyaSerezha
    /#24369104

    Я что-то не понял в теоретическом распаде протона. Из кваркового состава пронона и нейрона следует, что кварки u и d имеют электрические заряды +2/3 и -1/3. Тогда как любой из этих кварков может превратиться в позитрон с зарядом +1?

    • Hellko
      /#24369620 / +2

      Позитрон - фундаментальная частица, не состоящая из других частиц. Здесь важно соблюсти несколько "законов" и тогда такой процесс будет возможен:

      Разберем на примере нейтрона:

      1) Закон сохранения электрического заряда. Нейтрон имеет заряд 0, значит продукты распада должны иметь суммарный заряд 0: электрон (-1) и протон (+1).

      2) Закон сохранения лептонного числа. Нейтрон имеет лептонное число 0, значит продукты распада должны иметь суммарное лептонное число 0: электрон (+1), электронное антинейтрино (-1).

      3) Закон сохранения барионного числа. Нейтрон (+1): Протон (+1)

      4-...) и тд.

      Итого Нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. А именно d-кварк посредством слабого взаимодействия распадается на u-кварк и W(-)-бозон который распадается на электрон и электронное антинейтрино. d-кварк имеет заряд -1/3, распадается на u-кварк который имеет заряд +2/3, заряд кварка после превращения изменился на (+1), это компенсируется W(-) бозоном с зарядом (-1), который потом распадается на электрон с зарядом (-1) и электронное антинейтрино с зарядом (0). Закон сохранения электрического заряда не нарушился.

      • dyadyaSerezha
        /#24369680

        При чем тут нейтрон, если был конкретный вопрос по приведённой схеме распада протона. Либо ее описание неправильное, либо я что-то не понял. А именно, как общий электрический заряд трех кварков сходится а одном позитроне?

        • Hellko
          /#24369808 / +2

          Ответ на этот вопрос "А именно, как общий электрический заряд трех кварков сходится а одном позитроне?" в самом конце. Причем исходя из постановки вопроса судя по всему не важно речь идет про распад протона или распад нейтрона. Распад нейтрона хорошо изучен и поэтому объяснить на его примере проще.

          d-кварк посредством слабого взаимодействия распадается на u-кварк и W(-)-бозон который распадается на электрон и электронное антинейтрино. d-кварк имеет заряд -1/3, распадается на u-кварк который имеет заряд +2/3, заряд кварка после превращения изменился на (+1), это компенсируется W(-) бозоном с зарядом (-1), который потом распадается на электрон с зарядом (-1) и электронное антинейтрино с зарядом (0)

          Для наглядности также картинка:

          Насчет же распада протона, в самой статье схема распада протона указана только одна: на позитрон и пи0-мезон, причем пропущены промежуточные шаги. Все существующие схемы распада протона на данный момент предполагают наличие некоторых гипотетических частиц не существующих в свободном виде. На картинке ниже приведены возможные схемы распада протона (не все). Гипотетические частицы обозначены символами Х и Y с зарядами ±4/3 и ±1/3 соответственно. http://nuclphys.sinp.msu.ru/proton/12.pdf

  7. mk2
    /#24369222 / +4

    А какие вообще классы невозможностей существуют?

  8. janatem
    /#24369446 / -1

    Период полураспада свободных нейтронов составляет около 613,9 секунд.

    Период полураспада нейтронов — всё-таки 880 секунд, а указанная величина похожа на период 1/e-распада или, что то же самое, среднее время жизни.

  9. Sergey_Kovalenko
    /#24369962 / +3

    Каждый раз, когда читаю ваши статьи, испытываю побуждение заняться теоретической физикой. Может, кто-то из читателей пойдет дальше желания.
    Спасибо за труд.

  10. kauri_39
    /#24374934 / +1

    «Также потенциально неделимой частицей с нулевой массой является гравитон, пока не обнаруженный квант гравитационных волн (но он должен существовать, поскольку существуют гравитационные волны).»

    Не понял связи между существованием гравитационных волн и обязательным существованием квантов гравитационных волн. Поперечные гравитационные волны — это периодические изменения метрики пространства-времени, они предсказаны в ОТО и зарегистрированы. Гравитоны предсказаны в КТП, которая не совместима с ОТО на фундаментальном уровне — в оценке плотности энергии физического вакуума (космологической постоянной). Поэтому трудно ожидать совместимости в производном от него квантовом механизме гравитации. Сначала надо определить механизм гравитации (взаимодействия прлостранства и материи), следствия которого описывает ОТО, а уж затем пытаться представить его в «квантовом виде». Может оказаться, что он вовсе не аналог механизма электромагнитных взаимодействий, требующих квантов своего поля. Поэтому и существование гипотетических гравитонов вовсе не следует из реальных гравитационных волн, из реальной гравитации.

    • Dmitry_Dor
      /#24374984

      Не понял связи между существованием гравитационных волн и обязательным существованием квантов гравитационных волн. Поперечные гравитационные волны — это периодические изменения метрики пространства-времени, они предсказаны в ОТО и зарегистрированы. Гравитоны предсказаны в КТП…
      В процитированом Вами фрагменте статьи ИМХО весьма распространенная путаница в понятии «волна»:
      • «Волна» как колебательное изменение состояния среды — в данном случае периодические изменения метрики пространства-времени (которые недавно были зарегистрированы)
      • «Волна» как переносчик взаимодействия — корпускулярно-волновой дуализм: фотон, гравитон (который пока не открыт), и соответствующие волны
      Несколько лет назад я говорил об этом на другом форуме, например это сообщение

      • kauri_39
        /#24375096 / +1

        Да, путаница имеется, поэтому лучше действовать по предложенной схеме.
        Из КТП берём физический вакуум как энергетически плотную среду и квантуем её. Чтобы фотон в ней проявлял известные нам свойства, он должен постоянно ликвидировать перед собой кванты среды, продвигаясь вперёд под давлением расширяющейся среды с противоположной стороны. Чем больше он ликвидирует их в единицу времени, тем больше его частота или энергия, которая пересчитывается в гравитирующую массу. То есть фотон уже обладает гравитационным полем, а им в принятых условиях является постоянное расширение и равноускоренное движение физического вакуума в сторону фотона или любой другой материи — источника гравитации, который вызывает снижение плотности энергии вакуума.

        Проверка такого квантового механизма гравитации (где кванты материи ликвидируют кванты пространства) уже проведена и объяснена с позиций ОТО. А с позиций принятых условий фотон, попадая в менее плотную среду, то есть в гравполе, должен снизить число ликвидируемых в единицу времени квантов среды, давящих на него. То есть снизить свою частоту и скорость перемещения, что наблюдается и учитывается, в частности, в gps.

        Нужда в гравитонах отпадает, поперечные гравволны остаются и даже предсказываются более быстрые продольные волны в вакууме (от резкого изменения массы в точке пространства). Последние могут быть носителями информации для обеспечения нелокальной корреляции запутанных частиц.

        Извините за смелый полёт мысли философа-дилетанта. Пытаюсь решать фундаментальные проблемы в физике на качественном уровне, не дожидаясь их решения математическим путём.