Обратим ли распад протона

[light-92]

Обратим ли распад протона? То есть, если такая форма распада имеет место в природе, независимо от его канала, возможно ли дальнейшее соединение составных частиц и повторное образование протона (то же касается и нейтрона)?

[Ms-dos4]

Да, если у частиц будет достаточная энергия (только процесс очень маловероятен, в отличие от распада, т.к. частицам нужно "столкнуться")

[light-92]

Спасибо. У меня такой уточняющий вопрос. Допустим, как то удалось "разобрать" атом вплоть до уровня фундаментальных частиц: то есть распалось все, что могло рампадаться. Могут ли эти частицы снова образовать атом? Следя за каналами распада получаются нейтрино, электроны, фотоны и т.д.

[Ms-dos4]

Могут (если энергия у частиц будет достаточная). Другое дело что вероятность ничтожная.
P.S.Они могут образовать и кучу всего другого, что не запрещено законами сохранения, лишь бы энергия была.

[Munin]

Если CPT-теорема верна (в чём никто не сомневается), то обратим.

Распад нейтрона - разумеется, обратим.

Но распад нейтрона - это превращение 1 частицы в 3 частицы:

$$n\to p+e^-+\bar{\nu}_e.$$

Чтобы произошла в точности обратная реакция, нужно собрать в одной точке в один момент времени три частицы:

$$p+e^-+\bar{\nu}_e\to n.$$

Это крайне маловероятно. Даже столкновение двух частиц - происходит с малой вероятностью, которая определяется сечением реакции, и имеет физический смысл, аналогичный поперечному сечению предмета. Когда два шарика летят мимо друг друга, то столкнутся они, если центр одного шарика попадёт в круг площадью

$$\sigma=\pi(r_1+r_2)^2.$$

очерченный вокруг центра другого шарика, в поперечной плоскости. Аналогичная величина вводится в атомной, ядерной и субъядерной физике. Она может быть примерно равна площади сечения для таких "крупных" частиц, как протоны, нейтроны и ядра, и пропорционально меньше, если взаимодействие происходит не со 100 %-ной вероятностью. Для точечных частиц, таких как электроны, фотоны, нейтрино, сечение реакции определяется другими физическими причинами, например, длиной волны частицы (фотона или электрона), взаимодействием через промежуточную частицу. Сечение реакции - одна из главных величин, которые можно и посчитать теоретически, и измерить экспериментально на ускорителях при столкновении пучков или при столкновении пучка с мишенью. Чтобы получить вероятность какой-то реакции, надо сечение реакции умножить на плотность частиц в пучке - обычно довольно небольшую величину: расстояния между частицами в пучке на много порядков больше сечения.

Чтобы произошла реакция по схеме 3-частичного столкновения, мало того, чтобы первые две частицы оказались рядом - в пределах сечения реакции. Необходимо ещё, чтобы третья частица тоже оказалась рядом, причём в тот же момент времени. (Для оценки интервала времени, можно примерно взять время пролетания первых частиц одна мимо другой, а частицы летают примерно со скоростью $c.$) Такие условия настолько трудно воспроизвести (см. выше про плотность пучков), что в экспериментальной физике элементарных частиц такие реакции вообще не изучаются. Иногда можно создать плотную среду из частиц одного сорта, и тогда вероятность повышается: где бы ни встретились 2-я и 3-я частицы, рядом всегда будет подходящая 1-я частица, чтобы прореагировать. Но это чаще относится к атомно-молекулярному уровню, а не к ядерному и ниже. Такие условия могут встречаться в природе, в астрофизике, где бывают такие большие объёмы, что 3-частичные столкновения всё-таки происходят (но играют ничтожную роль, например, газ в Галактике), либо имеют место плотные среды частиц одного или даже двух сортов (в недрах нейтронной звезды), или соответственно, плотные потоки (взрыв сверхновой).

Насчёт распада нейтрона - есть условия, где частицы сближены на протяжении долгого времени, а именно, в ядрах. В ядре атома присутствует протон или нейтрон, и там же постоянно "бывает" электрон, поскольку волновая функция некоторых электронов не обращается в нуль в ядре. То есть, два из трёх условий выполнены. Но тут вылезает ещё одна неприятность: константа взаимодействия нейтрино сама по себе ничтожно мала (на нужной энергии), так что нейтрино могут пролетать огромные толщи вещества насквозь (например, Землю или Солнце), и нисколько не ослаблять поток.

Поэтому наиболее реалистично наблюдать реакцию, обратную не в полном, а в частичном смысле. Перенесём в противоположные стороны схемы реакции только по одной частице:

$$p\to n+e^++\nu_e.$$

Такая реакция для свободного протона запрещена: ему не хватает энергии, поскольку масса нейтрона больше массы протона. Но когда протон находится в ядре, то у него может быть повышенная энергия, и такая реакция произойдёт - это $\beta^+$-распад. Или, перенесём ещё одну частицу:

$$p+e^-\to n+\nu_e$$

- теперь мы имеем 2-частичную реакцию. Её можно наблюдать, просто обстреливая протоны электронами, и кроме того, она идёт в некоторых атомных ядрах, в которых для неё достаточно энергии - это электронный захват, или как его часто называют, $K$-захват (с $K$-оболочки). Если, наоборот, перенести нейтрино, то получатся реакции

$$\begin{gathered}p+\bar{\nu}_e\to n+e^+\\n+\nu_e\to p+e^-,\end{gathered}$$

которые используются в детекторах нейтрино - но вот только идут они с достаточно большой вероятностью только с высокоэнергетическими нейтрино.

[light-92]

Спасибо.

Munin в сообщении #893731 писал(а):

Поэтому наиболее реалистично наблюдать реакцию, обратную не в полном, а в частичном смысле.

Но все таки:

light-92 в сообщении #893710 писал(а):

Допустим, как то удалось "разобрать" атом вплоть до уровня фундаментальных частиц: то есть распалось все, что могло рампадаться. Могут ли эти частицы снова образовать атом?

Независимо от сроков, возможно ли такое?

(Оффтоп)

И прошу прощения за оффтоп, но думаю глупо из за этого вопроса открывать новую тему. Речь о темной энергии, которая ответственна за ускоренное расширение Вселенной. Насколько я понял, с расширением Вселенной увеличивается и объем темной энергии, иными словами ее становится больше. Но как это возможно? Как энергия отталкивания может увеличиваться настолько, что переведя Вселенную в де ситтеровский режим, она будет расти уже по экспоненте?

[Munin]

light-92 в сообщении #893758 писал(а):

Независимо от сроков, возможно ли такое?

Ещё условия по энергии надо выполнить. Ms-dos4 это говорил.

light-92 в сообщении #893758 писал(а):

Насколько я понял, с расширением Вселенной увеличивается и объем темной энергии, иными словами ее становится больше. Но как это возможно?

А тут есть вопрос. Когда у нас частицы как-то движутся, то известно, что с ними происходит, когда меняется объём. Мы берём те же частицы, и делим на новый объём, получаем новую плотность. (Ну, не считая некоторых оговорок.) Но вот если у нас не частицы, а поля, то как быть? Например, если у нас везде скалярное поле с величиной $-1,$ то что с ним произойдёт при увеличении объёма в $k$ раз? Не изменится? Станет $-1/k$? Станет $-1/\sqrt[3]{k}$? Что-то ещё? Нет никаких очевидных "предначертанных" законов природы по этому поводу. Поэтому в теоретических моделях можно предполагать разные возможности. И одна из них - что величина поля останется $-1.$ Может быть, эта $-1$ - мировая константа, почём мы знаем?

Вспомним, что у вакуума есть не только энергия, но и давление. Это давление отрицательное, по уравнению состояния $p=-\varepsilon,$ то есть, натяжение. Чтобы увеличить объём среды с таким давлением на $\Delta V,$ надо совершить работу $|p|\,\Delta V.$ И изменение энергии при этом составляет тоже $\varepsilon\,\Delta V$! Так что, тут всё сходится. А работу совершает гравитационное поле, энергия которого уходит в минус.

light-92 в сообщении #893758 писал(а):

Как энергия отталкивания может увеличиваться настолько, что переведя Вселенную в де ситтеровский режим, она будет расти уже по экспоненте?

Тут ошибочно словосочетание "энергия отталкивания". Знаю, примерно так это формулирует один очень известный астрофизик и космолог, но тут он небрежен со словами. Энергия отталкивания в обычной физике - это совсем другое. А здесь имеет место энергия вакуума, причём она соответствует по уравнению состояния не отталкиванию, а натяжению - причём, невероятно огромному натяжению. Но вот гравитационное воздействие, которое создаёт это натяжение, приводит к раздуванию Вселенной.

Суть дела тут не в увеличении энергии, а в другом знаке давления, причём давление достигает очень больших величин. Из-за этого законы гравитации и работают в непривычном для нас режиме.

[light-92]

Munin в сообщении #893772 писал(а):

Суть дела тут не в увеличении энергии, а в другом знаке давления, причём давление достигает очень больших величин. Из-за этого законы гравитации и работают в непривычном для нас режиме.

И к чему приведет это бесконечное расширение с ускорением? Что станет с веществом?

[Munin]

Послушайте, ну ведь вы наверняка читали где-то обо всём этом, не так ли? Вы думаете, я вам что-то другое отвечу?

[light-92]

Munin в сообщении #893778 писал(а):

Послушайте, ну ведь вы наверняка читали где-то обо всём этом, не так ли? Вы думаете, я вам что-то другое отвечу?

Лишь популярное. Так что мнение экспертов весомее.

[Munin]

Вполне достаточно Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy
https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy#Implications_for_the_fate_of_the_universe
https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Rip
https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_fate_of_the_universe

Большая часть текста там написана достаточно взвешенно (хотя содержит и ссылки на безбашенные идеи, но такие идеи реально плавают в научной среде), и по сравнению с ними мне по сути нечего нового сказать.

[light-92]

Munin в сообщении #893796 писал(а):

Большая часть текста там написана достаточно взвешенно (хотя содержит и ссылки на безбашенные идеи, но такие идеи реально плавают в научной среде), и по сравнению с ними мне по сути нечего нового сказать.

Прочитал, и вопросов стало еще больше. Это очень похоже на инфляцию. Вам не кажется странным то, что у пустоты не просто есть энергия, но и со временем, с увеличением пространства, эта суммарная энергия увеличивается за счет отрицательного давления? И в перспективе она так будет увеличиваться бесконечно долго. К тому же проявляется она как своего рода "антигравитация".

Я читаю почти все темы тут, и в глаза бросилось то, что Вы написали про рост энтропии и теорему Пуанкаре о возвращении. В ограниченном объеме с течением бесконечного времени движущаяся частица окажется в каждой точке этого объема. Но если объем увеличивается, да еще и с ускорением, такого не будет: значит теорема неверна для расширяющейся Вселенной.

[Munin]

light-92 в сообщении #893868 писал(а):

Прочитал, и вопросов стало еще больше.

Читайте не ответы на вопросы, а учебники. Тогда начнёт складываться картинка в голове. А так, вы получаете не полный набор для паззла, а случайно выбранные кусочки, и разумеется, они не складываются.

light-92 в сообщении #893868 писал(а):

Это очень похоже на инфляцию.

Это в точности она и есть.

Просто для эпохи инфляции постоянная времени была $\sim t_\mathrm{Pl},$ а для эпохи тёмной энергии она $\sim\text{возрасту Вселенной.}$

(Я говорю не о сценарии Big Rip и варианте quintessence / phantom energy.)

light-92 в сообщении #893868 писал(а):

Вам не кажется странным то, что у пустоты не просто есть энергия, но и со временем, с увеличением пространства, эта суммарная энергия увеличивается за счет отрицательного давления?

Мне кажется, вам стоит прочитать учебник по ОТО, и такие вещи перестанут казаться странными. Рекомендую «Ищу литературу по…»

light-92 в сообщении #893868 писал(а):

Я читаю почти все темы тут, и в глаза бросилось то, что Вы написали про рост энтропии и теорему Пуанкаре о возвращении. В ограниченном объеме с течением бесконечного времени движущаяся частица окажется в каждой точке этого объема. Но если объем увеличивается, да еще и с ускорением, такого не будет: значит теорема неверна для расширяющейся Вселенной.

Да, тут есть сложности.

Вообще говоря, следует в фазовом объёме учитывать ещё и степени свободы поля (в данном случае, гравитационного). Но их бесконечно много. Как считать энтропию - неизвестно. (Можно прыгнуть сразу к квантованию, и сказать, что мы берём энтропию частиц - квантов поля, например, фотонов или гравитонов. Но для классических колебаний поля это не проходит.) В бесконечномерном фазовом пространстве теорема о возвращении может не работать.

[light-92]

Munin в сообщении #893881 писал(а):

Просто для эпохи инфляции постоянная времени была $\sim t_\mathrm{Pl},$ а для эпохи тёмной энергии она $\sim\text{возрасту Вселенной.}$

(Я говорю не о сценарии Big Rip и варианте quintessence / phantom energy.)

То есть инфляция продолжается. А есть предположения, ускорение будет продолжаться вечно, и если да, то к чему это приведет? Ведь не может быть так, чтобы ускоряющееся расширение в бесконечно отдаленном будущем стало бесконечно быстрым?

Munin в сообщении #893881 писал(а):

Мне кажется, вам стоит прочитать учебник по ОТО, и такие вещи перестанут казаться странными. Рекомендую «Ищу литературу по…»

Спасибо, я уже выбрал из списка то, что мне нужно, хотя мне довольно сложно все это понять.

Я понимаю, как увеличение объема вакуума (отрицательное давление) приводит к увеличению совокупной энергии этого объема за счет выполнения ею отрицательной работы. Насколько я понял, темная энергия это энергия флуктуаций вакуума, которая почему то не согласуется с предсказаниями КТП. Но вот чего я никак не могу понять: если у Вселенной ограниченный объем и она будет ускоренно расширяться бесконечно долгое время, то и объем у нее станет бесконечным, а значит и ее внутренняя энергия, которая и привела к расширению.

[Munin]

light-92 в сообщении #893887 писал(а):

То есть инфляция продолжается.

Нет. Была одна деситтеровская эпоха - она называлась инфляция. Наступает другая деситтеровская эпоха. Она называется Dark Energy dominance. Нельзя говорить, что инфляция продолжается, потому что уровень энергии вакуума существенно изменился - на много порядков.

light-92 в сообщении #893887 писал(а):

А есть предположения, ускорение будет продолжаться вечно, и если да, то к чему это приведет?

Вечно ли - для этого надо знать природу тёмной энергии, а мы её не знаем. Если да - то я вам дал ссылки на Wikipedia, там же всё написано.

light-92 в сообщении #893887 писал(а):

Ведь не может быть так, чтобы ускоряющееся расширение в бесконечно отдаленном будущем стало бесконечно быстрым?

Может быть и так: это как раз вариант quintessence / phantom energy и сценарий Big Rip.

light-92 в сообщении #893887 писал(а):

Спасибо, я уже выбрал из списка то, что мне нужно, хотя мне довольно сложно все это понять.

Это хорошо, а теперь скажите, что именно выбрали.

И ещё, чтобы не сложно было понять (и вообще, чтобы в принципе возможно было понять), важно прочитать предварительные учебники. Для ОТО - это теоретическая механика, СТО, электродинамика, уравнения математической физики. Полезно знакомство с дифференциальной (римановой) геометрией, хотя в учебниках ОТО обычно необходимые сведения излагаются. В зависимости от вашего текущего уровня, тоже надо подобрать учебники, иногда целую последовательность, венчающуюся учебником по ОТО.

light-92 в сообщении #893887 писал(а):

Насколько я понял, темная энергия это энергия флуктуаций вакуума, которая почему то не согласуется с предсказаниями КТП.

Как раз флуктуации вакуума не просто согласуются с предсказаниями КТП, а ровным счётом только КТП и предсказываются, только из этой теории и следуют. Ни в какой другой теории даже самого такого понятия, как "флуктуации вакуума", не возникает.

Несогласование только одно: количественное. Оно катастрофическое. Но КТП не умеет предсказывать эту энергию. В КТП она получается бесконечность (или нуль). КТП может только грубо оценить её - и расхождение имеет место с этой оценкой.

light-92 в сообщении #893887 писал(а):

Но вот чего я никак не могу понять: если у Вселенной ограниченный объем и она будет ускоренно расширяться бесконечно долгое время, то и объем у нее станет бесконечным

Ну, это наивно. Это ещё в матанализе 1 курса такие вещи разбираются. В каждый конкретный конечный момент времени - объём Вселенной будет конечным. А чего там будет в пределе - физического смысла не имеет.

light-92 в сообщении #893887 писал(а):

а значит и ее внутренняя энергия, которая и привела к расширению.

Я уже говорил: одна энергия растёт, другая соответственно уменьшается. Сумма остаётся постоянной. (В частности, очень красиво получается, когда сумма ровно нуль. Говорят, что "создание Вселенной бесплатно".)