Таким образом, у системы, обладающей запасом энергии (как говорят, возбужденной системы), всегда есть «желание» от нее избавиться, прийти в наинизшее энергетическое состояние. Как говорят физики, ей это «энергетически выгодно». Для пребывания в возбужденном энергетическом состоянии надо, чтобы была какая-то причина, мешающая системе освободиться от избытка энергии (защелка или впадина в приведенных выше примерах).
Теперь вспомним, что энергии всегда соответствует масса. Значит, возбужденное состояние всегда более массивно, чем невозбужденное. Теперь уже нетрудно понять, что если элементарная частица в принципе может распасться на более легкие, сумма масс которых меньше исходной частицы, то это означает, что при распаде выделилась энергия, эквивалентная разности масс исходной частицы и сумме масс, возникающих при распаде частиц. То есть такой распад энергетически для частицы выгоден.
Чтобы он не происходил сам собой, должна быть какая-то причина, ему препятствующая, или, на языке физиков, какой-то запрет. В случае протона препятствием превращения его в позитрон (который гораздо легче протона) с выделением энергии в виде световых квантов является закон сохранения барионного числа. Отметим, кстати, что распад свободного нейтрона происходит сам собой, так как масса нейтрона больше суммы масс возникающих частиц и этот процесс энергетически выгоден.
Сделаем еще одно пояснение. Почему мы говорим, что протон, если распадается, то не превращается целиком в кванты света, а обязательно остается еще и позитрон? Дело в том, что протон электрически заряжен, а электрический заряд не может исчезнуть — это строго сохраняющаяся величина, определяющая электрическое поле на большом от него расстоянии. Поэтому при распаде протона обязательно должна возникнуть положительно заряженная частица, наследующая его электрический заряд. Позитрон и является наилегчайшей положительно заряженной частицей.
Теперь читатель уже, наверное, сам может сделать вывод, что позитроны (так же, как и электроны) должны быть стабильны, они никогда не распадутся, ибо более легких заряженных частиц не существует, а электрический заряд исчезнуть не может.
Помимо протона, неограниченно долго (как считалось) могут существовать и другие стабильные атомные ядра, такие, как, скажем, ядра гелия или железа. Нейтроны, входящие в состав этих ядер, столь же стабильны, как и протоны, в отличие от свободных нейтронов, которые распадаются за 15 минут, превращаясь в протоны.
В разделе «Великое объединение» мы узнали, что существуют частицы — переносчики универсальной силы (X- и Y-частицы), обмен которыми ведет к нарушению закона сохранения барионного числа, и кварки при этом могут исчезать, превращаясь в лептоны. Правда, эти X- и Y-частицы могут рождаться только при очень больших энергиях, недостижимых ни в каких реальных процессах в сегодняшней Вселенной. Однако X- и Y-частицы могут, хотя и на очень короткий промежуток времени, рождаться в виртуальных процессах. На рис. 12 показана схема превращения, которое может произойти в протоне, состоящем из двух u-кварков и одного d-кварка из-за рождения виртуального Х-бозона. Два u-кварка с помощью виртуального Х-бозона превращаются в антилептон (позитрон) и антикварк d. Этот антикварк объединяется вместе с d-кварком в систему π0-мезон. Последняя частица затем распадается на световые кванты.
Таким образом, в результате этого процесса протон превратился в позитрон и световые кванты. Но ни позитрон, ни световые кванты не обладают барионным числом. Барионное число исчезло, протон распался! «Защелкой», мешающей произойти энергетически выгодному процессу, здесь являлась очень большая масса Х-бозона. Но эта «защелка» не абсолютно надежна. Иногда она «ломается», и происходит распад.
К счастью, такие распады протона чрезвычайно редки, иначе бы все вещество Вселенной давно бы распалось. Редкость данного процесса обусловлена тем, что очень мала вероятность обмена внутри протона сверхтяжелым виртуальным бозоном. В простейших вариантах теории Великого объединения среднее время жизни протона оценивалось в десять тысяч миллиардов миллиардов миллиардов лет! Но существуют варианты теории, которые приводят к продолжительности жизни протона в тысячу раз большей. Это фантастически большие сроки. Напомним, что с момента начала расширения Вселенной до наших дней прошло «всего» около десяти миллиардов лет.