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 * 1027 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 протонов, это ограничивает количество протонов, способных распадаться каждую секунду, всего лишь 600 миллиардами.
Но основываясь на огромном количестве протонов 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 протонов.
Мы получаем её в виде химической энергии, поедая
Но чтобы точно проверить, распадаются ли протоны, 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.
Комментарии (32)
LeoXX
02.10.2016 12:45+13Боюсь редактору очень не хватает редактора перед выпуском статьи в свет. Хотя сама тема достаточно интересна.
Alex_ME
02.10.2016 13:04+1Зануда мод on
Если взять резервуар с 10^32 протонами, подождать год, и обнаружить, что ни один не распался – то станет ясно, что их период полураспада составляет по меньшей мере 10^32 года!
А разве подобное заключение формально верно? С большой долей вероятности "период полураспада составляет по меньшей мере 10^32 года", как мне кажется.
Распад — процесс случайный, а период полураспада — величина статистическая (поправьте меня, если я ошибаюсь).
Зануда мод off
arheops
02.10.2016 13:37+2Если взять один и следить — неверное. А тут взяли 10Е32, соответсвенно можно посчитать вероятность периода полураспада, или вычислить период полураспада с точностью до 5 сигм.
maxzhurkin
02.10.2016 20:15+1Здесь речь идёт только об оценке снизу величины периода полураспада. Для того, чтобы именно вычислить период полураспада, обязательно необходимо пронаблюдать определённое довольно значительное количество событий распада.
arheops
02.10.2016 21:55+1Естественно, оценка снизу с определенной заранее заданной долей вероятности. Теория вероятности не исключает, что период полураспада 1000лет, просто так получилося. Но вероятность такого события невероятно мала.
maxzhurkin
02.10.2016 22:01Нет, оценка снизу это оценка снизу, про эту вашу вероятность в такой формулировке известно только то, что она близка к единице и если повторить экперимент с тем же результатом, количество девяток удвоится, но оно неизвестно
arheops
02.10.2016 22:12Берем полураспад 1000лет. Вероятность такого события гдето 1/10^(10e20)
maxzhurkin
02.10.2016 22:13Ну и какой же полураспад у протона?
arheops
02.10.2016 22:28Можно ответить только на один вопрос. Либо вероятность при заданном периоде, либо период при заданной вероятности(что тут и было проделано).
maxzhurkin
02.10.2016 22:30Периода (полураспада, я так понимаю?) у нас нет. Так какова же вероятность?
maaGames
02.10.2016 13:12Честно, не понимаю утверждения, что раз из 10^32 протонов за год ни один не распался, то период полураспада больше, чем 10^32 лет.
Т.е. я могу надуть 1000 воздушных шариков, подождать один день и сказать, что за 1000 дней шарик не сдуется. Я вот так эту информацию понял.
Кто понял правильно, поясните пжлст.arheops
02.10.2016 13:39+1Ваши шарики сдуваются неслучайно. А ядерный распад — по текущим знаниям самое случайное из существующих явлений. Тоесть при 1000 атомов с полураспадом в Х дней каждый день будет расспадатся 500/X ВСРЕДНЕМ.
maaGames
02.10.2016 13:45Теорвер можно сказать не изучал, поэтому слабо всё это понимаю.
Почему ждали год, а не месяц? И, ведь могло случиться, что на следующий день усердно миллиарды протонов распадаться начали, например, а они уже не ловили.
На самом деле, я и с жёсткими дисками аналогичные заявления не понимаю. Ну проработали у них 1000 дисков по часу и утверждают, что диск не будет сбоить в течении 1000 часов. Т.е. может быть это как-то доказано и обосновано, но я не могу этого понять.Zenitchik
02.10.2016 13:55+1Вероятность распада протона не зависит от его возраста. Он с равным успехом может распасться прямо сейчас или через 10^32 лет. Этим он отличается от привычных нам объектов.
Период полураспада — это не время жизни и не срок службы. Это статистическая величина, и реальное время распада половины частиц оказывается равно периоду полураспада только на очень больших выборках этих самых частиц. Зато чем больше выборка — тем с большей точностью равно.
Поэтому можно считать, что если из очень большого N частиц за время X ни одна частица не распалась, то период полураспада больше чем N*X/2.maaGames
02.10.2016 14:01Вот! Ваше первое предложение немного пролило свет на моё непонимание. Я не знал, что время жизни протона случайное. Если это указано в статье, то я не очень внимательный человек.(
Zenitchik
02.10.2016 14:15Это если он вообще распадается, чего, как я понял, мы пока не знаем. Для всех же частиц, склонных когда-нибудь распадаться, сказанное справедливо.
maaGames
02.10.2016 14:20Т.е. неизвестно, распадается ли он вообще, при этом предполагается, что его время жизни произвольно?
10^32 лет это ведь больше времени жизни вселенной. Получается, что за всё это время ни один протон не распался.
А если вероятность распада всё-же зависит от его возраста? Например, после 10^16 они начинают распадаться и мы просто ещё не дожили до дня Х…Zenitchik
02.10.2016 14:23+1>Т.е. неизвестно, распадается ли он вообще, при этом предполагается, что его время жизни произвольно?
ЕСЛИ он нестабилен, то нужно предполагать, что для него выполняются законы, справедливые для ВСЕХ нестабильных частиц. Оснований полагать, что они вдруг для одной единственной частицы не выполняются — нет.
>А если вероятность распада всё-же зависит от его возраста?
Пока что нет ни одной причины это полагать. Разводить же фантастику — занятие ненаучное.
Может ли одна и та же частица быть стабильной или нестабильной на разных стадиях эволюции Вселенной (и считать ли её в таком случае одной и той же частицей) — вопрос отдельный.maaGames
02.10.2016 14:26Т.е. это нестабильная частица, потенциально склонная к распаду, но которая за всю историю вселенной ещё не распадалась (статистически) и распадётся может быть во времена, когда уже звёзды потухать начнут.
Не скажу, что мне сильно понятнее стало.) Но, если бы я в этом разбирался, то и статью читать не стал. А так может хоть что-то запомню на будущее.Zenitchik
02.10.2016 14:38Как Вы такую мымль сгенерили? O_O
Всё проще: поскольку за всю историю Вселенной она ещё не распадалась, мы не знаем, стабильная она, или просто имеет очень большой период полураспада. Всё.maaGames
02.10.2016 14:57Я так понял, что весь этот эксперимент основан на предположении, что частица НЕ стабильна, поэтому её время «смерти» не зависит от времени её «жизни». А елси неизвестно, что она нестабильна, то она может быть стабильной и ожидать её распад в любом промежутке времени вообще нет смысла.
thousandsofthem
02.10.2016 15:13Не путайте вероятность и время жизни.
Если бы во вселенной существовал единственный протон — то да, через 10^32 лет с вероятностью 50% он распадется (или нет — это ведь нижняя оценка)
А во вселенной этак 10^80 частиц, приличная часть из них — протоны. Вероятность что кто-то где-то распалось почти сто процентов (если конечно протон вообще распадается таким способом)
arheops
02.10.2016 13:56Ждали сколько смогли, там было больше года. В процессе пересчитывают вероятность. Если протоны(да и любые атомы) начнут распадаться неслучайно, это нарушит все текущие представления о распаде. Пока все наблюдения говорят о отсутствии каких либо значимых закономерностей в распаде(ну кроме скорости распада имеющей кореляцию с атомным номером). У жестких дисков как раз закономерностей полно.
choupa
02.10.2016 14:51Вы немного погорячились. За день распадётся 1000*ln2/X = 693/X атома, если X — период полураспада.
UPDATE: Хотя да, если усреднить за весь период X, то конечно 500/X в день.
choupa
02.10.2016 13:49Сдувание шарика не является случайным единовременным событием. Тут правильнее другая аналогия. Каждый день между 1000 участниками разыгрывается лотерея, и каждый день один человек выигрывает. Из этого можно заключить, что за 1000 дней вероятность, что вы выиграете составит 63,1% (1-1/e), т.е. шансы, что за 1000 дней вы хотя бы раз выиграете довольно велики.
maaGames
02.10.2016 13:56Но тут же получается, что если вы за эту 1000 дней ни разу не выиграли (вероятность этого 46,9%), то делается вывод, что вы и за 1000000 дней не выиграете.
Т.е. каждое отдельное утверждение и формулы и всё прочее мне понятно. По отдельности. А увязать между собой не могу.
Если лотерею перевести на протоны. Каждый день разыгрывается приз, но выигрыш не обязателен. И так случилось, что за 1000 дней никто ни разу не выиграл. Из этого делается вывод, что вообще никто «никогда» не выиграет.
Т.е. меня больше всего смущает, что 1 и 10^32 это числа немного разного порядка и из-за того, что в коротюсенький пшик ни один протон не распался делаются такие долгоиграющие выводы.k155la3
02.10.2016 16:35Не совсем. Из невыигрыша 1000 людей за день делается вывод, что вероятность выиграть одному человеку менее чем за 1000 дней — мала.
Распад протона не считается «невозможным» (кстати, текущее ограничение на полураспад 10Е35 лет), просто считается очень большим. Для некоторых теорий распад протона требуется быстрее, чем 10Е31 год, и бОльший период полураспада их убил насмерть.
arheops
02.10.2016 18:45В теорвере за «достоверное» принимается событие, вероятность которого отличается от единицы менее, чем нужная погрешность. В физике погрешность принимается в 5 сигм. Все, отличается меньше — считается одинаковым, пока не доказано обратное. http://elementy.ru/LHC/HEP/study/errors/sigma
arheops
02.10.2016 18:49-1В данном случае сигма=1 распад. Надо хотябы сколько то их увидить. А пока никто не наблюдал, потому протон либо стабильный, либо период полураспада у него надо взять такой, чтоб наблюдения в него попадали.
olgerdovich
02.10.2016 16:02+4некоторые из этих атомов известны своей радиоактивностью, например, висмут, уран, торий
особенно известен, лет десять как, своей радиоактивностью висмут, который долгое время считался последним из стабильных элементов в Периодической системе, но вот нет, 10-15 лет назад его сделали известным своей радиоактивностью с периодом полураспада Bi-209 в миллиард возрастов Вселенной.
choupa
02.10.2016 16:19+1Но тут прилетела на Землю страшная страпелька, сделав всё наши протоны неустойчивым…
sumanai
Местами в статье протоны заменяются на фотоны, которые, по идее, вообще не могут распадаться.