Mục lục
Proton là gì?
Proton là hạt mang điện tích dương nằm trong hạt nhân nguyên tử.
Số proton quyết định một nguyên tử thuộc nguyên tố nào:
- Hydro có 1 proton.
- Carbon có 6 proton.
- Oxy có 8 proton.
- Sắt có 26 proton.
Thay đổi số proton đồng nghĩa với thay đổi nguyên tố.
Vì vậy, độ bền của proton đóng vai trò nền tảng đối với sự tồn tại lâu dài của vật chất thông thường.
Proton có thực sự bất tử?
Theo Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, proton cực kỳ bền.
Proton là baryon nhẹ nhất, vì vậy nó không thể đơn giản phân rã thành một baryon nhẹ hơn mà vẫn bảo toàn số baryon.
Tuy nhiên, điều đó chưa chứng minh proton tồn tại vĩnh viễn.
Một số Lý thuyết Thống nhất Lớn (Grand Unified Theories - GUTs) cho rằng số baryon có thể không được bảo toàn tuyệt đối.
Nếu những lý thuyết này đúng, proton có thể phân rã thành các hạt nhẹ hơn.
Proton sống được bao lâu?
Không ai biết chính xác, bởi:
Chưa từng quan sát được proton phân rã.
Các thí nghiệm như Super-Kamiokande tại Nhật Bản theo dõi một lượng nước khổng lồ chứa số lượng proton cực lớn để tìm kiếm những tín hiệu phân rã hiếm hoi.
Các kết quả hiện nay cho thấy tuổi thọ của proton, tùy theo kênh phân rã được xét, phải lớn hơn khoảng:
10³⁴ năm
Để so sánh:
Tuổi vũ trụ ≈ 1,38 × 10¹⁰ năm
Nghĩa là proton có thể bền lâu hơn tuổi hiện tại của vũ trụ ít nhất hàng nghìn tỷ tỷ lần.
Điều gì xảy ra nếu proton thực sự phân rã?
Nếu proton không bất tử, sự thay đổi của vũ trụ sẽ không xảy ra đột ngột.
Không có một vụ nổ khổng lồ.
Thay vào đó, vật chất sẽ biến mất cực kỳ chậm trong những khoảng thời gian vượt xa khả năng hình dung của con người.
Nguyên tử dần mất ổn định
Khi proton phân rã, các hạt nhân nguyên tử không còn tồn tại mãi mãi.
Theo thời gian cực dài:
- Các nguyên tố biến mất.
- Cấu trúc nguyên tử bị phá vỡ.
- Vật chất thông thường dần được chuyển thành các hạt nhẹ hơn và bức xạ.
Hóa học cuối cùng cũng biến mất
Hóa học tồn tại nhờ các nguyên tử.
Nếu proton cuối cùng không bền, những cấu trúc như:
- Nước.
- Đá.
- Kim loại.
- Phân tử hữu cơ.
sẽ không thể tồn tại vĩnh viễn.
Không phải vì chúng bị phá hủy từ bên ngoài, mà vì chính thành phần tạo nên hạt nhân của chúng đang phân rã.
Những "xác sao" cũng không tồn tại mãi
Rất lâu sau khi những ngôi sao cuối cùng ngừng phát sáng, vũ trụ có thể vẫn chứa:
- Sao lùn trắng.
- Sao neutron.
- Các hành tinh lạnh.
- Tiểu hành tinh.
- Lỗ đen.
Nếu proton phân rã, phần vật chất thông thường còn lại trong nhiều cấu trúc này cũng sẽ tiếp tục thay đổi trong những khoảng thời gian cực dài.
Vũ trụ sẽ ngày càng ít cấu trúc phức tạp hơn.
Một vũ trụ ngày càng tối và loãng
Ở tương lai cực xa, nếu proton phân rã và vũ trụ tiếp tục giãn nở, phần lớn những cấu trúc quen thuộc ngày nay sẽ không còn.
Cuối cùng có thể chỉ còn:
- Các hạt nhẹ.
- Neutrino.
- Photon có năng lượng ngày càng thấp.
- Các lỗ đen tồn tại trong thời gian cực dài trước khi mất dần năng lượng qua bức xạ Hawking.
Vũ trụ khi đó sẽ lạnh hơn, tối hơn và loãng hơn rất nhiều so với hiện nay.
Nhưng kịch bản này chưa chắc sẽ xảy ra
Đây là điểm quan trọng nhất.
Việc proton phân rã hiện vẫn là một giả thuyết vật lý, không phải một hiện tượng đã được xác nhận.
Cho đến nay:
- Chưa có proton nào được xác nhận đã phân rã.
- Các thí nghiệm chỉ đặt ra giới hạn tuổi thọ ngày càng lớn.
- Một số mô hình GUT dự đoán proton phân rã.
- Những mô hình khác cho phép proton tồn tại lâu hơn rất nhiều hoặc có thể ổn định.
Việc phát hiện chỉ một sự kiện phân rã proton đáng tin cậy sẽ là một trong những khám phá quan trọng nhất của vật lý hiện đại, bởi nó cung cấp bằng chứng trực tiếp cho vật lý nằm ngoài Mô hình Chuẩn.
Kết luận
⚛️ Proton nhỏ bé nhưng độ bền của nó là một trong những lý do vật chất có thể tồn tại ổn định trong hàng tỷ năm.
Nếu proton thực sự bất tử, nguyên tử có thể tiếp tục tồn tại trong tương lai cực xa.
Nếu proton có thể phân rã, vật chất thông thường cũng có một "hạn sử dụng" khổng lồ, và sau khoảng thời gian khó tưởng tượng, những hành tinh, xác sao và nguyên tử cuối cùng cũng sẽ dần biến đổi thành những hạt nhẹ và bức xạ.
Cho đến khi một proton thực sự được quan sát thấy phân rã, câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ:
Liệu vật chất có thể tồn tại mãi mãi, hay ngay cả proton cũng có ngày kết thúc?
