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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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宇宙的最后三分钟 第八章 慢道上的生命
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1972 年，一个名为罗马俱乐部的团体对人类的未来发表了一项令人沮丧的预测。他们预言了许多迫在眉睫的灾难，其中一项就是全世界的石油供应将会在二三十年内宣告枯竭。人们惊恐不安，油价暴涨，替代性能量的研究也开始盛行。今天我们已处于 90 年代，还没有任何迹象表明石油即将会消耗殆尽，惊恐不安又为心安理得所取代。遗憾的是，简单的计算表明，对于有限的资源来说，能量危机迟早总会来临。关于地球上的人口，也可以得出类似的结论：它不能永远持续地增长下去。
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某些耶利米们相信，下一次能量危机和人口过剩危机会彻底断送人类。可是，没有必要把石油的消失与人类的绝迹混为一谈。我们周围到处存在着大量的能源，问题在于我们要有利用它们的愿望和能力。最引人注目的是太阳光，它的能量对我们的需求来说绰绰有余。一个棘手的问题是应当控制人口的增长，从而不致于发生大规模的饥荒。这要求采取社会的、经济的和政治的手段，而不仅仅是科学的手段。但是，如果我们能够克服因石油耗尽而引起的能源瓶颈效应，如果能够稳定世界人口的增长，如果对地球的生态破坏能够加以限制，那么我相信人类肯定会昌盛繁荣。不存在任何明显的自然规律会限制我们人类的繁衍。
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在前一章中我描述了经过令人难以置信的漫长时间后，作为一些慢物理过程的结局，宇宙的结构将怎样发生变化，而这种变化通常是朝着退化方向发展的。人类的存在充其量也大约只有 500 万年（这取决于对人类的定义），人类（就某种形式的）文明仅仅只有几千年。今后地球应当还可供人类居住 20～30 亿年，当然这是对于有限的人口而言。这是一段极长的时间跨度，长得令人无法想象，长得好像（实际上就是）无限长。但我们已看到，即使是 10 亿年，同发生在天文学和宇宙学意义上的总体变化所需要的巨大时间尺度相比，也只不过是极短的一瞬间。 10 亿个 10 亿年后，在银河系的其他某个地方或许仍然存在类似的地球，从而成为可供人类居住的场所。
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毫无疑问，我们可以推测我们的后裔有十分充裕的时间供他们支配，去发展空间探测技术和各种现人所不可思议的技术。在太阳把地球烤枯之前，他们有充裕的时间撤离地球。他们可以一个接一个地寻找适宜居住的行星，并且不断地继续下去。事实上，要是不离开地球，世界人口在任何时候都不太可能超过 100 亿左右。一旦扩展到空间，人口也可以增加。要知道我们在 20 世纪为生存下去而作的斗争最终也许并非徒劳无益，这一点会使我们得到安慰吗？
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在第二章中，我描述了伯特兰·罗素因对热力学第二定律的结论怀有黯然消沉的心情，故而在描绘人类的存在对太阳系未日到来这一事实一筹莫展时的言辞凄惨悲凉。他显然认为，我们居住的场所看来不可避免要走向毁灭，而这又必然会使人类的生命变得毫无意义，甚至滑稽可笑。这种信念肯定影响到他的无神论。如果罗素知道黑洞的引力能可以比太阳的作用高出好多倍，并且能够在太阳系瓦解后持续数以万亿年计的时间，那么他的感觉会好一点吗？可能井非如此。这并不是计算实际持续时间的问题，而是事实上宇宙迟早会变得不适宜人类居住，结果使某些人认为我们的存在是毫无意义的。
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根据第七章我对宇宙遥远未来的叙述，也许可以认为一个更不安稳、更为恶劣的环境简直是难以想象的。但是，我们不必陷入沙文主义或悲观主义。毫无疑问，人类在由稀薄的电子－正电子汤所组成的宇宙中安顿自己的生活时会有一段艰难时期，但重要的问题肯定不在于我们种族本身能否永垂不朽，而是我们的后裔能否幸存下来。而且，我们的后裔也不太可能是今天意义上的人类。
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地球上出现人类这个种族是生物进化的产物。但是，我们自己的活动正在迅速地改变这种进化过程。我们已经干预自然选择的作用，设计出变种的可能性也变得越来越大。我们也许很快就能通过直接控制遗传密码来设计出具有特定属性和体形特征的人类。所有这一切只是发生在技术社会的这几十年时间内。请想象一下几千年、甚至几百万年后，科学和技术能取得何等巨大的成就。
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