质子是“长生不老”的吗？

说起质子，先要介绍一位现代物理学上的伟大人物，就是1871年出生在新西兰一个农民家庭的卢瑟福，他是质子的发现者。

卢瑟福有一位老师叫汤姆逊，他曾经把原子想像成是一个水果蛋糕，整个蛋糕好象是一个原子，而蛋糕里的葡萄干就象电子。事实是不是这样呢？他的学生卢瑟福提出了怀疑。卢瑟福用a粒子当炮弹去轰击薄薄的金箔，在两万发炮弹当中，他发现有一发被弹了回来，卢瑟福说：“这简直就像是对着一张卫生纸打炮，炮弹竟被弹回到炮筒里来一样。”这就是著名的“a粒子散射实验”。通过这个实验，卢瑟福提出了原子的行星模型：原子的中心是带正电荷的原子核，外面是绕着原子核转的带负电荷的电子，就象太阳系中九大行星绕着太阳转一样。进一步的实验证明，卢瑟福的原子模型比他的老师汤姆逊的原子模型更正确地反映了原子的真实面貌，这真是“青出于蓝而胜于蓝”啊！

原子的真相弄清楚了，那么原子核呢？卢瑟福又投入了新的战斗。1919年，当他用粒子轰击氮原子核的时候，从氮原子核中跑出了一个带正电荷的“不速之客”，卢瑟福就给它起了十名字——质子，希腊文中是“第一”的意思，因为他认为质子是组成原子核的第一块基石。

人类对质子已认识了半个多世纪，那么是不是对质子已经了如指掌了呢？不见得！就说质子的寿命吧，以前物理学家总认为它是长生不老的，但是，根据“大统一理论”，它也是有生有灭的。所谓“大统一理论”，最早是著名物理学家爱因斯坦提出来的。大家知道，自然界中存在着四种力，这就是万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力，后两种力只在原子核的范围内才存在。20世纪60年代，美国科学家格拉肖·温伯格和巴基斯坦科学家萨拉姆分别独立地提出了弱相互作用与电磁相互作用的统一理论——弱电统一理论，通过规范场把弱相互作用与电磁相互作用统一起来，并于1978年被实验证实和确认，他们也因此获得1979年的诺贝尔物理奖。在1983年1月和6月，在实验上又分别发现了他们的理论所预言的W－、＋粒子和Z－粒子，从而进一步证实了弱电统一理论的正确性。鉴于弱电统一理论取得了成功，在这个理论的推动下，物理学家们设想进一步把强相互作用也统一在一个理论之中，这就是“大统一理论”。这个理论有一个惊人的预言：质子是不稳定的，可以衰变为正电子（或反中微子）和介子。按照这个理论推算，质子的平均寿命在1029～1033年之间。因此测定质子的寿命对于检验“大统一理论”是十分重要的。

然而这却是一个非常大的数字，要知道我们生活的宇宙年龄才只有1010年，要在几年内检验这个预言的正确性，唯一的方法就是对足够多数量的质子进行观察，看看是否有质子发生衰变。目前在世界上的好几个地方都在积极地进行这项实验工作。真是八仙过海，各显神通，企望率先得到结果。一个是在美国的俄亥俄州的莫顿盐矿进行，方法是将一万吨的水（约有1033个质子）灌进矿中，用光敏检测器观察水，假使质子衰变，就成为一正电子与一兀介子，则带电粒子就以比介质中的光速更快的速度通过水，此时有切伦科夫辐射，用光敏检测器记录下来。经过80天观察，没有发现质子衰变。这意味着质子寿命的下限至少为6.5×1030年。另一个是在欧洲勃朗峰隧道中进行，在隧道深处装有134吨铁，根据观察时间与质子总数目计算质子的寿命在10年左右。还有一个由印度和日本科学家组成的实验小组利用印度柯拉金矿的废矿井作实验测定质子的衰变。此实验处地下3 000米处进行。那么为何都要钻到地下深处去做实验呢？这是因为宇宙射线中有大量的中微子，这样做的目的，是想利用几千米厚的地层，把讨厌的宇宙射线中的中微子“过滤”掉。经过两年的观察共发现六个被认为是质子衰变的事例，其中三个据说是比较可靠的，按这样计算，质子的平均寿命大约为7×1031年。

但这一实验结果比较粗糙，尚未得到公认。因为所有的实验都面临外层空间中微子带来的影响。即使实验钻到地下深处进行，由于这种中微子很容易在仪器附近穿过地层，也能对检测器产生作用，仿佛是质子衰变，因此不少物理学家认为很难否定目前测到的质子衰变完全不是这种中微子造成的。质子到底衰变不衰变：寿命有多长？衰变成什么？这仍然是高能物理学家们非常关心的问题。测定质子寿命的实验将会判定哪个理论正确，一旦实验证实，物理学又将会大大前进一步。因此目前不少国家的许多粒子物理学家仍不惜花费昂贵的实验费用，钻在地下深处的矿井里耐心细致地观测，争相测量质子的寿命，以期最终揭开质子衰变之谜。