宇宙会在“假真空衰变”中迎来终结吗

2021/12/10 11:22:21 来源:新浪科技 作者:任天 责编:长河

北京时间 12 月 10 日消息,据国外媒体报道,宇宙可能并不像你想象的那么稳定。世界终结的方式可能是这样的:不是砰的一声巨响,而是宇宙基态的量子真空衰变到它真正的最小值。

宇宙在过去经历了剧烈的相变。这些相变最终导致了自然界 4 种基本力的分化,以及我们今天所知道的所有粒子。所有这一切都发生在宇宙诞生不到 1 秒的时候,从那时起,宇宙就一直很稳定。

但是,宇宙可能不会永远这么持续下去。

一个分裂的宇宙

要理解宇宙的稳定性,我们首先要讨论什么是相变。相变是指物质经历的快速、剧烈的转变。这是我们经常能见到的现象。当你把水烧开时,水就从液体转变成为气体;当你把水冷却下来时,它又会变成一大块冰。这些过程就是相变。

也许最奇特的相变发生在量子场中。量子场是宇宙的基本组成部分,每一种粒子 —— 如光子或电子 —— 实际上只是一个基础场的局部表现形式。这些场占据了所有的空间和时间,就像蘸了橄榄油的面包。正是这些场相互作用和交流的方式,构成了使我们能够存在的力和物理学特征。

这种存在基于 4 种基本力:引力、弱核力、电磁力和强核力。但情况并非一直如此。在宇宙最初的时刻,这些力是统一的。随着宇宙的膨胀和冷却,量子场经历了相变,开始一个接一个地分裂。

最终的相变发生在电磁力从弱核力分裂之时。这种分裂产生了光子和 W 及 Z 玻色子。在物理学中,W 及 Z 玻色子时负责传递弱核力的基本粒子。此次分裂事件发生在宇宙诞生还不到 1 秒的时候,自此之后,一切都是稳定的 —— 不再分裂,不再相变。自然界的 4 种基本力在数十亿年的时间里不断地塑造着宇宙的演变。

目前看来,一切都很稳定 —— 至少目前如此。

其实不太稳定

宇宙的稳定性很难测量。当然,像相变这样有趣的过程已经发生了超过 130 亿年的时间。的确,130 亿年是很长的一段时间,但在量子场的世界里,任何事情都可能发生。

探测宇宙稳定性的最好办法就是通过希格斯玻色子的质量。希格斯粒子是一个非常有趣的领域;其在宇宙中的存在将电磁力从弱核力中分离出来,并维持了今天的分裂状态。如果没有希格斯玻色子,这些力将重新融合在一起。

在量子物理学中,一个实体的质量越大,它就越不稳定。例如,大质量粒子会迅速衰变为较轻的粒子。因此,如果希格斯粒子的质量很大,它就不可能像看起来的那么稳定,在一段时间之后,它可能会衰变为别的东西。但如果希格斯玻色子的质量足够小,它可能就会永远存在,宇宙量子场的未来可能就没有多少变化了。

对希格斯粒子的测量发现,其质量会使宇宙处于“真正稳定”和“看起来不是很稳定”之间。物理学家称这种状态为“亚稳态”,即这种状态目前看来是稳定的,但一旦出现问题,就会迅速变化。

寻找稳定性

宇宙量子场的亚稳态有些令人不安。当然,宇宙可能依然可以持续数十亿年,甚至数万亿年,没有任何问题;但另一方面,这也可能意味着宇宙已经开始转变。只需宇宙的某个随机区域朝错误的方向“轻轻一晃”,希格斯玻色子就会分崩离析,而底层的量子场就会找到一个新的、更稳定的结构。“新”宇宙的区域会以接近光速的速度向外传播,直接穿过“旧”宇宙。这种相变被科学家称为“假真空衰变”。在量子场论中,假真空是一种理论状态,指的是真空态处于稳态,但并不处于系统最小能量状态,即准稳态。假真空可在准稳态保持很长时间的稳定,但最终还是会衰变到更稳定的状态中,即所谓的“假真空衰变”。

当我们接收到任何关于这种相变的信息时,该过程其实已经发生了。新宇宙的另一边会是什么?这很难说。一切可能完全平淡无奇,新的量子场看起来就与旧的量子场一模一样,没有任何变化。也可能只发生轻微的调整,比如暗能量的性质发生了微调,或者对中微子质量的微调。或者,新的量子场可能完全不同,形成一个充满全新的力、场和粒子的宇宙 —— 这将使我们所知的生命(以及相关的化学和原子学)都不可能存在。

当然,我们目前还不能百分之百确定亚稳态的标准。我们也知道,粒子物理学的标准模型是不完整的。对宇宙亚稳态的完整认识可能会改写我们对量子场的理解,并帮助我们最终界定“稳定-不稳定”的界线。

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关键词:宇宙

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