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这里我们遇到了一些理论上的困难。我们必须知道原始物质——构成你、我以及地球的原材料——是否是绝对稳定的。决定最终命运的关键在于量子力学。虽然通常情况下量子过程所涉及的对象是原子系统和亚原子系统，但量子物理学的定律适用于一切事物，包括宏观物体。尽管大物体的量子效应极其微弱，但经过很长时间以后，这些效应仍然可以引起一些重要的变化。
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量子物理学的特征标记是不确定性和概率。在量子领域，除了赌博式的可能性之外，任何东西都是不确定的。这意味着如果一个过程不管怎么说总会有可能发生，那么无论这种可能性有多小，只要有足够长的时间它最终总是会发生的。我们可以以放射性为例来观察这个规律如何发挥作用。铀 238 核几乎是完全稳定的，但是它有很小的概率会释放一个 α 粒子并嬗变成钍。更确切地说，如果给定一个铀原子核，那么它在单位时间内会有某种很小的概率发生衰变。平均说来，大约 45 亿年发生一次。但是，因为物理学定律要求单位时间某种固定的概率，任意给定的铀核最终肯定要发生衰变。
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发生 α 放射性衰变的原因是组成铀原子核的粒子（质子和中子）在位置上有很小的不确定性。同样，固体中原子的精确位置其不确定性就更小了，但仍并不为零。例如，金刚石上的一个碳原子处于晶体内非常确定的位置上，并且在宇宙遥远的未来其温度接近绝对零度时，这个位置也是极其稳定的。但情况并不完全如此，碳原子的位置总是存在着微小的不确定性，这意味着存在微小的概率使碳原子有可能自发地跳出它在晶格中的位置，并出现在另外某个地方。由于这种移动过程，没有一样东西是真正坚固不变的，即使硬如金刚石那样的物质也不例外。相反，表观上的固态物质就像是一种超粘滞液体，在漫长时间里它可以通过量子力学效应发生流动。物理学家弗里曼·戴森( Freeman Dyson )曾估计过，大约 1045 年以后不仅每块仔细切割过的金刚石会变成球珠，而且每块岩石也同样会发生形变而成为光滑的球。
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要是时间更长，量子不确定性还会导致核嬗变。例如，考虑金刚石晶体中两个相邻的碳原子，其中一个碳原子在非常偶然的机会下会自发地发生位移，结果使它的核在一瞬间内恰好出现在相邻那个原子的核的附近。这时核引力就有可能使这两个核子发生聚变而形成镁原子核，所以核聚变不一定要求很高的温度。冷核聚变是可能的，但它需要的时间之长令人难以置信。戴森曾估计过，在 101500 年（也就是 1 后面有 1500 个零！）之后，所有的物质将以这种方式擅变成最稳定的原子核，即元素铁。
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但是，可能的情况是核物质无论如何也不会存在这么长时间，这是因为另有一些嬗变过程尽管这些过程慢得出奇，但相比之下进行得会快一些。戴森的估计中假设质子（和束缚于核内的中子）是绝对稳定的。换句话说，如果一个质子不落入黑洞，也不受到其他形式的干扰，那么它将永恒存在下去。但是，我们能肯定情况确实如此吗？在我的学生时代，没有人会怀疑这一点。质子是永恒的，它们应该是完全稳定的粒子。但是，关于这一点始终存在着一个令人困惑的疑问，它涉及到称为正电子的粒子。除了像质子一样带有正电荷外，正电子与电子是完全相同的。正电子比质子轻得多，因此所有其他方面都与正电子相同的质子应当更愿意嬗变成正电子（这是一条深奥的物理学原理，即物理系统力图达到它们的最低能态，而低质量即意味着低能量）。因为没人知道为什么质子并没有简单顺利地发生这样的嬗变，物理学家便简单地假设存在某种阻止这类事件发生的自然规律。直到最近，对这个问题还完全没有很好的理解。不过，在 70 年代未出现了一种关于嬗变方式的较为清晰的图象，而各种力就是通过这种方式激励粒子按量子力学规律互相嬗变。最近的一些理论都作为某种公设用到了这条阻止质子衰变发生的定律，但其中大多数理论也预言这条定律并非百分之百地有效。可能存在着非常非常小的概率，会使某个质子事实上嬗变成一个正电子。
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在某种最简单的理论模型中，质子发生衰变所需的时间平均为 1028 年，这是宇宙目前年龄的 1 百亿亿倍。因此，或许你会猜想，质子衰变这一课题应当属于某种纯学究式的好奇性。但是，必须记住这是个量子力学过程，因此事实上它的内禀性质具有或然性： 1028 年是预期的平均寿命，并不是每个质子的实际寿命。只要有足够的质子，就会有很大的机会使其中一个质子在你眼皮底下发生衰变。事实上，如果有 1028 个质子，那么你可以预期大约每年发生一次质子衰变，而只要 10 千克物质就包含有 1028 个质子。
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很巧，这种理论还没有流行，这么长的质子寿命就已被实验所否决。但是，其他版本的这类理论给出了更长的寿命—— 1030 或 1032 年，甚至更长（某些理论预言长达 1080 年）。前者较低的寿命值正好还可以通过实验来加以检测。例如， 1032 年的衰变时间意味着在你的一生中或许会通过这种方式在你身体内失去 1 个或 2 个质子。但是，怎样来探测如此罕见的事件呢？
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所采用的技术是贮存数以千吨计的物质，用能被质子衰变事件产物触发的高灵敏度探测器在几个月内对它们进行连续监视。遗憾的是，这样搜寻质子衰变有如大海捞针，因为质子衰变会被宇宙线产物所产生的数量多得多的类似事件所淹没。地球不断地受到宇宙高能粒子的轰击，它们产生某种亚原子粒子背景，并且永远存在。为了减小这种影响，实验不得不在很深的地下进行。
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这样的一个实验设备安置在美国俄亥俄州克利夫兰附近的一个盐矿里，它深入地下 600 米。这台设备由装有 10000 吨极高纯度水的方形水罐和周围的一些探测器组成。之所以选择水是因为水是透明的，这样探侧器便能同时“看到”尽可能多的质子。实验的思想是这样的：如果一个质子以当前流行的理论所预言的方式发生衰变，那么除了产生一个正电子以外，还会产生一个称为中性 π 介子的粒子，这个 π 介子接着很快衰变成两个能量很高的光子，即 γ 射线。最后，当这些 γ 射线遇到水原子核时，会产生能量很高的电子和正电子对。事实上，这些最终的带电粒子所具有的能量非常高，因此，它们会以接近光的速度运动。
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光在真空中的速度为每秒 30 万公里，这是任何粒子可能具有的运动速度的极限。现在水的存在使光的速度慢了一些，大约为每秒 23 万公里。因此，以接近每秒 30 万公里速度穿越水的高速亚原子粒子实际上比光在水中跑得更快。当一架飞机的速度超过音速时，会产生某种轰鸣声。类似地，如果一个带电粒子穿过某种介质的速度比光在这种介质的传播速度更快时，就会产生某种特殊的电磁激波，称为切伦科夫辐射，它是以俄国发现者的名字命名的。因此，俄亥俄实验设置了一套光敏探测器，用以搜索切伦科夫闪烁。为了把质子衰变事件同宇宙射线中微子和其他虚假的亚原子粒子区别开来，实验特别要寻找背对背的成对切伦科夫光脉冲，这是一种与众不同的信号。其物理图象是，当一个 π 介子衰变时，它发出一对方向相反的 γ 射线光子，然后这些光子又会在各自的飞行方向上产生电子－正电子对。
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遗憾的是，工作了几年之后，俄亥俄实验装置没能找到令人信服的有关质子衰变的证据。到撰写本书之时，其他不同的实验也没有得到任何结果。这可能意味着质子没有衰变。另一方面，它也可能意味着质子是会衰变的，不过它们的寿命要长于 1032 年。要想测定比这更慢的衰变率已超出现有实验的可能范围，因而关于质子衰变的问题也许得留待可以预见的将来才会作出判断。
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作为这一故事的结束语，我应该提及的是，虽然质子衰变实验没有达到它们的主要目标，但正是这些实验无意中检测到了超新星 1987A 发出的中微子，这一点我在第四章中已经讨论过了。因此，努力并没有白费。科学上往往如此，寻找某一种东西却导致另一个意外的发现。
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搜寻质子衰变的实验曾在大统一理论工作的刺激下风行一时，其目的是企图统一强核力（把质子和中子束缚在原子核内的力）、造成 β 衰变的弱核力及电磁力。质子衰变的出现应当是这些力巧妙混合的结果。不过，即使这种观点被证明是错误的，质子仍有可能通过另一条途径发生衰变，这条途径涉及自然界的第四种基本力——引力。
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为弄清引力如何引起质子衰变，必须考虑这样一个事实，即确切来说质子并不是点状基本粒子。它实际上是由 3 个称为夸克的更小粒子所构成的组合体。在正常组态中，质子的大小约为十万亿分之一厘米，这是 3 个夸克的平均间距。但是，基于量子力学的不确定性，夸克并不保持静止状态，而是不停地改变它们在质子内的位置。两个夸克有时会相互靠得很近。所有 3 个夸克也会自行跑到一起，彼此间靠得非常近，当然这种情况就更为罕见了。通常情况下，这些夸克间的引力作用是完全可以忽略不计的，但一旦它们靠得很近，引力就可能较所有其他力的作用更占优势。如果发生这种情况，这些夸克就会合到一起，形成一个微小的黑洞。实际上，质子是在它自引力作用下通过量子隧道效应发生坍缩的。由于霍金过程，这样生成的微黑洞是非常不稳定的，迟早会一下子蒸发掉，而最可能的结果是衰变成最轻的带正电荷的粒子——正电子，再加上其他粒子。对质子通过这种途径发生衰变的寿命所作的估计是很不确定的，其范围从 1045 年到 10220 年，后者实在是个惊人的数字。
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如果质子确实在经过一段极其漫长的时间后会发生衰变，那么这个结果对宇宙遥远的未来有着深远的影响。所有的物质都将是不稳定的，它们最终都会消失。像行星那样的固态天体，即使未遭落入黑洞之劫，也不会永恒存在。相反，它会慢慢地逐渐蒸发掉。质子的寿命，譬如说取 1032 年，那就意味着地球每秒钟失去 1 万亿个质子。按照这一速率，大约在 1033 年以后，我们的行星假如还没有被其他某种东西毁掉的话，实际上到那时也已完全消失殆尽了。
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中子星不受这个过程的影响。中子也由 3 个夸克组成，并可通过类似导致质子死亡的那种机制嬗变为更轻的粒子（孤立的中子在任何情况下都是不稳定的，大约在 15 分钟内就发生衰变）。只要时间足够长，白矮星、稀薄的气体云、岩石、尘埃、彗星以及所有其他各种天体都会因同样的原因而死去。我们今天在整个宇宙中所观测到的普通物质有 1048 吨，这些物质都会因落入黑洞，或者通过缓慢的核衰变而消失。
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当然，在质子和中子发生衰变时，会生成衰变产物，所以宇宙的物质未必都一点也留不下。例如，前面已经提到，质子的一种可能的衰变途径是生成一个正电子和一个中性 π 介子。这个 π 介子很不稳定，很快会衰变成两个光子，或可能衰变成电子－正电子对。无论哪种情况，质子衰变的结果总是使宇宙逐渐获得越来越多的正电子。物理学家相信，宇宙中带正电荷的粒子（现在主要是质子）总数与带负电荷的粒子（主要是电子）数量相等。这意味着一旦所有的质子都衰变，出现的将是一种由数量相等的电子和正电子组成的混合体。正电子是电子的所谓反粒子。反粒子的含义是指，如果正电子遇到电子，它们就彼此对消。从物理学上来说，它们是互相湮没而消失。这是一个在实验室里就能研究的过程，而且并不困难。这种湮没以光子形式释放能量。
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人们已经完成了一些计算，以图确定宇宙在遥远的未来所留下的正电子和电子是否会完全互相湮没掉，或是否总是会留下少许残余。湮没不是突如其来发生的。相反，电子和正电子首先自行组合而形成一种微原子，称为偶电子素。它们相互间在电吸引力束缚下，环绕它们的公共质心作轨道运动，跳起一场死亡之舞。然后，两个粒子作旋涡式运动，并碰到一起而发生湮没。它们旋到一起所需要的时间取决于偶电子素“原子”形成时的大小。在实验室里，偶电子素发生衰变所经历的时间远远小于 1 秒。但在外部空间，由于几乎不受任何干扰，电子和正电子可以在巨大的轨道上束缚在一起。一些估计表明，对大部分电子和正电子来说，形成偶电子素需要 1071 年，但在大多数情况下，它们的轨道直径会有好几万亿光年！粒子的运动非常缓慢， 100 万年才移动 1 厘米。这时电子和正电子的行动变得极为滞呆，完成旋入过程所需的时间为 10116 年，这是一个令人惊讶的数字。不过，这些偶电子素原子从形成之时起就已注定了它们的最终命运。
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奇怪的是，并非所有的电子和正电子都必定会湮灭。在电子和正电子寻找它们异性伙伴的全部时间内，这些粒子的密度逐渐下降，这一方面是因为发生了湮没，同时也因为宇宙在不断地膨胀。随着时间的推移，偶电子素的形成变得越来越困难。所以，尽管少量残留下来的物质变得越来越稀少，但它们永远也不会完全消失。尽管每个电子或正电子都孤立地分布在体积不断膨胀着的空间中，但在某个地方总能找到它们。
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在这些慢得令人难以置信的过程完成之后，宇宙会呈现什么样的图象呢？现在我们可对此作一番描述了。首先，会存在大爆炸留下的残余，也就是始终存在的宇宙背景。它由光子和中微子组成，也许还会有目前我们尚不清楚的其他一些完全稳定的粒子。随着宇宙的膨胀，这些粒子的能量会不断减小，直到形成某种完全可以忽略不计的背景。宇宙中的普通物质已经消失。所有的黑洞都已蒸发。黑洞的大部分质量变成了光子，不过一部分质量也会以中微子形式出现，而在最后爆炸中发射出来的极小部分质量会以电子、质子、中子和一些较重粒子的形式存在。这些较重的粒子会很快衰变，而中子和质子的衰变要慢得多，结果留下来的是少量的电子和正电子，还有其他一些粒子，它们便是我们今天所看到的普通物质在最后时刻剩下的残留物。
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因此，在非常遥远的将来，宇宙应当是一锅薄得令人难以置信的稀汤，其中有光子、中微子及数量在逐渐减少的电子和正电子。所有这些粒子都在缓慢地运动，彼此间分离得越来越远。这是荒凉而又空虚的宇宙，它已走完了自己的历程，但所面临的仍是永恒的生命，或更恰当而言是永恒的死亡。就我们所知，任何基本物理过程再也不会发生了，也就是说不会再出现任何重大事件来打破宇宙那空虚荒凉的状态。
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这种寒冷、黑暗、毫无特征而又近乎空无一物的凄惨景象差不多等同于说现代宇宙学导出了 19 世纪物理学的“热寂”说。宇宙退化到这种状态所需要的时间之长超出了人类的全部想象力。然而这只不过是无限时间长河中的无穷小一部分。永久之长，长不可测。
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虽然宇宙的衰退过程要经历很长很长的时期，超过了人类的各种时标，因而实际上对我们是毫无意义的。可是人们仍然急于想问：“我们的后裔将会怎样？缓慢降临而却又必然发生的宇宙未日会不可避免地把他们毁灭掉吗？”科学对遥远未来宇宙的预言是有点令人失望的。要是情况果然如此，那么看来任何形式的生命最终必然都在劫难逃。不过，死亡并非那么简单。
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