一、“质子衰变热”的由来
质子会衰变吗？如果质子是不稳定的，则木星上的质子衰变就会引起木星辐射。从而由木星的发射强度可以估算出质子平均寿命的下限，估算结果是1018年。1954年，莱因斯（F．Reines）、哥德哈伯（M．Goldharber）首次对质子衰变进行了实验探索，结果断定质子寿命至少大于1022年。随后，日本、印度、美国和欧洲的一些研究小组，先后投入质子衰变的实验探索，从公布的结果看，一般认为质子的寿命为τ=1×1032±2年。整整30年过去了，尽管至今仍然没有发现一个公认的质子衰变事例，质子衰变问题一直处于若明若暗的混沌状态之中。然而，人们对这一课题的兴趣与日俱增。从70年代末期以来，相继又有一些小组投入探测行列，实验规模越来越大，水平越来越高，广大粒子物理学家和宇宙学家都以急切的心情，关注实验的进展，人们希望能从新的实验事实中，迎来“混沌初开”的局面。
为什么在极大科学（宇宙学）和极小科学（粒子物理学）这两个不同领域中同时出现“质子衰变热”呢？宇宙学必须解释粒子的宇宙生成问题，即观测宇宙中的重子—反重子不对称的问题；而质子衰变是粒子物理“大统一模型”的自然结果。如果质子确实存在衰变，那么，大统一理论基本设想的正确性就有了实验基础，进而为大爆炸宇宙学中的粒子生成提供了理论基础。这样，人们可把大爆炸时的早期宇宙，作为大统一模型特殊的“实验室”，使极大与极小的两门学科紧密地联系起来。有理由期待，由于它们的相互渗透和汇合，将导致这两门学科有突破性的进展。另一方面，“重子数守恒”是粒子物理中的一条重要定律①。它的最强有力的证据之一是，质子是绝对稳定的。因此，重子数到底是绝对地、严格地守恒，还是有条件地近似地守恒？质子衰变的实验探测，将有最终的判决。总之，解决了质子衰变问题，就有可能解决重子数起源问题。人们一旦对重子数起源有了真理性的认识，人类对于过去、现在和未来将有更多的了解和更丰富的知识。这正是广大物理学、宇宙学和哲学工作者屏息以待地想弄清“质子衰变”问题的动因。
零时刻二、观测宇宙中重子—反重子的不对称性
1933年，狄拉克因他的正、负电子理论的成功而荣获诺贝尔物理学奖。长期以来，物理
学家一直推崇狄拉克的杰出理论：“每个基本粒子都存在一个反粒子，它们具有相同的质量和自旋，而所有其他的量子数如电荷数、磁矩、重子数等等都有着相反的值。”狄拉克主张宇宙是对称的。从宇宙的尺度来看，应当有一半的
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物质，一半的反物质，二者在数量上是相等的。他在诺贝尔演讲中认为，地球或整个太阳系中，电子及正质子在数量上占优势“实在是一种偶然”。他说：“十分可能，对某些星球来说，情况并非如此。即这些星球主要是由正电子及负质子构成的。事实上，可能每种星体各占一半。这两类星体有完全相同的光谱。用现有的天文学方法，无法辨别这两类星体。”的确，对称的宇宙显得自然、和谐，较为符合美学判据。
然而，物理学和宇宙学都决不是纯理论的思辨性科学，它们必须首先尊重并立足于确切无疑的观测事实。愈来愈多的事实却表明，观测宇宙中的粒子含量远远大于反粒子含量，二者是不对称的。狄拉克的猜测违背了观测事实，因而是不正确的。
现在的观测表明，宇宙间的重子数平均密度nB为10-6个/厘米3，即标准的大爆炸宇宙学计算，今天的观测宇宙线度为1010光年（1028厘米），因而宇宙中的重子与反重子的总数差为1078个。以此回推至大爆炸的极早期，当t=10-35秒时，按标准模型计算，当时宇宙线度约为1厘米，因此，当时重子与反重子的数密度差为
另一方面，在t=10-35秒时，温度T=1028K，由标准模型可得总粒子数密度
nB＝1087个／厘米3。 （2）
这样，由（1）、（2）可得，在早期宇宙中重子的不对称程度为
由（3）可知，今天观测宇宙中存在这样多的重子，则要求在早期宇宙中正反重子含量的不对称性是：
即当时每109个重子大约伴随有（109-1）个反重子。显然，这种不对称性是十分微小的。但为什么会有这样的不对称呢？这是大爆炸宇宙学必须加以回答的问题。
三、宇宙学中的重子数起源
大爆炸宇宙学的基本观点认为，宇宙间的一切都有其生成的过程，现有的各种复杂的、不对称的宇宙现象，都是从简单的、对称的原初宇宙演化而来的，式（4）的不对称性，也应从原初对称的宇宙（即重子与反重子的数密度相等）演化而来的。由对称演化到不对称，这就产生了“重子数起源”问题。
1967年苏联物理学家萨哈洛夫（Sakharov）提出，从重子—反重子对称的宇宙中演化出重子数的不对称需要三个要素：
1．存在改变重子数B的作用；
2．C和CP都不守恒；角关联
3．存在对热平衡的偏离。
这里最基本的前提是第1条，如果存在改变重子数B的作用，必然也存在重子数不守恒的过程。“重子数守恒”简称B守恒，其义即：在粒子的变化过程中，重子数减反重子数是不变的。质子是最轻的重子，如果它是不稳定的，就
只能衰变为不是重子的更轻的粒子，那就必然会破坏B守恒。所以，倘若发现质子衰变，就直接证明了B并不总是守恒的。
存在B不守恒过程，对于解决重子数起源问题仅仅是必要条件，但并非充分条件。因为，即使质子是不稳定的，但若反质子也是不稳定的，且两者的衰变率相同，那还是不能从正反质子的对称状态演化到正反质子的不对称状态。因此，解决重子数起源问题的另一个必要条件是存在着正反粒子之间不对称的过程，这种过程一般称为C破坏过程或CP破坏过程。这里，P代表空间反演，也就是左右互换；C代表电荷共轭，即粒子与反粒子互换；CP守恒意即：将左右互换同时又将粒子与反粒子互换，物理规律仍保持不变。由于一个系统的熵在重子与反重子的数目相等时最大，故偏离热平衡时产生不对称的微观相互作用也是必要的。因此，一旦上述这些过程偏离热平衡，就可以使一个起初对称的宇宙进入一种重子多于反重子的不对称状态。这就是萨哈洛夫提出的第2、3条要素。
CP不守恒的过程，早在1964年就被美国物理学家克劳宁（Cronin）、菲奇（Fitch）等人所发现（这一发现使他们两人共获1980年诺贝尔物理学奖）。这就是长寿命中性K1介子的衰变。这种介子有以下两种衰变过程：
因为K1的反粒子就是它自身，所以，如果CP是守恒的。则上述两种
衰变方式的机会必定是相等的。克劳宁等人的成功实验证明，K1更多地是
现出CP破坏是一个真实的效应。克劳宁在他的诺贝尔演讲中说：“这个效应告诉我们，在物质和反物质之间存在着基本的不对称性。”
硫醇甲基锡四、大统一理论与宇宙演化
子的不对称有直接的联系？在日常经验中为什么质子是稳定的？对这一系列问题，大爆炸宇宙学并没有给人们提供更多的知识。怎么办？在现代科学日趋整体化的今天，人们早已
污水处理流程冲破了各传统学科之间的专业壁垒，在相互衔接的领域中探索、挖掘和耕耘。人们把“大统一理论”的研究成果运用于宇宙演化，这就为解决“重子数起源”开辟了新的前景。
大统一理论的目的，是在弱电统一的基础上再把强相互作用也统一进来，在理论上作出统一的描述。当前最流行的大统一模型是SU（5），它将夸克与轻子统一在一起使之可以相互转化，这正是重子数不守恒的根据。在这种理论中，除传递电磁力的光子、传递弱作用的玻子、传递强作用的胶子外，还要求有导致重子数不守恒的新作用传递者。这种新作用称之为超弱作用，其传递者总称为“X粒子”。由于X粒子能引起B守恒的破坏，则正反X粒子就可能有以下的衰变方式
：
类可能衰变方式如下：
这些过程的存在，就会导致质子的衰变。
质子是由u，u，d三个夸克组成的。通过X粒子的媒介作用，可以使两个夸克转化为轻子和反夸克，这个反夸克与质子中第三个夸克组成介子，于是质子衰变为轻子和介子。具体反应序列例示如下：
由X粒子耦合的相互作用是非常微弱的，而X的质量非常之大，故质子寿命极长。理论上预计，X的质量约为1015GeV（相当于质子质量的1015倍），质子衰变的平均寿命约为1031年。也就是说，大统一理论预言，只有当能量高达1015GeV（G=109）时，B不守恒的过程才会起显著作用。目前最大的高能加速器只有几百个GeV，所以，对于B不守恒过程，在实验室里是难于实现的。什么地方会有如此高的能量呢？人们自然想到了大爆炸时的宇宙。
大爆炸宇宙学认为，现在的宇宙，是距今约150亿年前，由大爆炸开始的，爆炸后，物质
以匀质而且各向同性地剧烈膨胀，从无限高的温度冷却下来。这一理论，得到2.73K背景辐射和宇宙空间氦的丰度等观测事实有力的支持。如果把大爆炸的标准模型外推上去直到接近爆炸的零时刻①，那么空间全体的总能量应达到1015GeV以上。这样，大统一理论为重子数起源提供了演化机制，而大爆炸后的极早期宇宙为重子数起源创造了环境条件，两者的结合，就能较自然地解释重子数的不对称问题：
在宇宙年龄小于10-35秒时，则温度高于1028K，对应的粒子热运动能在，但由于宇宙介质处于热平衡，所以重子与反重子的数密度保持相等，开始湮没或衰变而消失。如果这种衰变又是CP破坏的，衰变的结果将导致理论预言的X粒子存在，那么粒子和反粒子之间的不对称就会在10-35秒的nB之比）为10-9，此后，重子与反重子的总数差不会再改变，而密度差没，留下来的是一个由过剩重子构成的宇宙，而反重子则完全消失了。这就是今天人们看到的情景。
把粒子的统一理论和宇宙演化问题和谐地结合起来，绘出一幅自然而合理的演化图像，使人们看到解决重子数起源问题的曙光，因而激励了许多人认真地采纳了统一的观念，投入对各种大统一模型和宇宙演化问题的深入研究。1981年，美国国家科学基金会在加利福尼
亚大学圣巴巴腊分校理论物理研究所试行一种新的研究方式，即邀请世界各地从事同类问题研究的学者，进行半年到一年的集体研究，期望他们共同努力，取得比他们各自独立进行研究更丰硕的成果。在1—6月的半年中，他们集中探讨了宇宙学与粒子物理之间的密切联系，进行了有关早期宇宙的研究，取得
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