饮料吸管里的真空,还能毁灭宇宙?

中科院物理所 2022/9/23 16:23:59 责编:云熙

两千多年前,亚里士多德宣称,由于物体会在真空中以“不可能”的速度穿行,因此自然界不存在真空。1277 年,法国主教艾蒂安・坦皮尔(Etienne Tempier)反驳说上帝无所不能,甚至可以创造真空。

之后,一个科学家成功创造出了真空。德国科学家冯・格里克(Otto von Guericke)用一个自制的泵抽出了铜制球壳中的空气。这或许是地球上第一个高质量真空环境。在他 1654 年的一次展出中,即使是两个马队也无法拉开被真空吸在一起的西瓜大小的两个半球。

自那时起,真空就成了物理学的一个基础概念、成了其他理论的基础。冯・格里克的真空是不存在空气;电磁学意义上的真空是不存在能使光减速的介质;引力的真空是不存在能使空间弯曲的物质和能量。在不同例子中,真空的具体含义取决于物理学家想要描述的事物类型。“有时,这就是我们构建一个理论的方式。”伊利诺伊大学的理论物理学家德拉佩(Patrick Draper)说。

当现代物理学家在努力为自然终极理论寻找更复杂的假说时,他们遇到了越来越多种类的真空。每种真空都有自己的特征,就像一种物质的不同存在状态一样。越来越多的人认为,了解宇宙起源未来命运的关键可能是仔细地考量这些不断增多的“不存在”—— 也就是真空的类型。

《真空的力量》:1672 年,德国科学家冯・格里克写了一本关于真空的书,书中描述了他给皇帝费迪南德三世 (Emperor Ferdinand III) 做的一次展示,两队马试图将一个抽成真空的铜球壳分成两半,但没有成功。图像来源:Royal Astronomical Society / Science

“关于真空,还有很多未解之谜。”加州卡弗里理论物理研究所的粒子物理学家加西亚 (Isabel Garcia Garcia) 说,“到底还有多少是我们不知道的?”

到目前为止,关于真空的研究得出了一个戏剧性的结论:我们的宇宙可能坐落在一个劣质的基础 ——“亚稳态”的真空之上,这个真空注定在遥远的未来变成另一种空无,而一切都将在这个过程中被毁灭。

量子真空

二十世纪,当物理学家开始将用场的观点来看待现实世界时,一切都变得不那么简单了:物理量在空间的每一点上都有一个值(比如,电场用来描述空间的某一点上电子会受到多大的力)。在经典物理中,场的值可以在任意点为零,它不产生影响,也不含有能量。麻省理工学院的理论物理学家哈洛 (Daniel Harlow) 说:“经典意义上真空很无聊,什么也没在发生。”

但是物理学家发现,宇宙中的场是量子而非经典的,这意味着它们在本质上是不确定的。不存在能量精确为零的量子场。哈洛把量子场比作一组分布在空间每一点上的钟摆 —— 它们摆动的角度代表场的数值。每个钟摆都在最低点附近微微摆动。

如果不加干涉,量子场将处于其能量最低的状态,也就是所谓的“基态”或者“真空态”。(基本粒子是场受扰动产生的波纹。)“真空其实是一个系统的首选状态,”加西亚说。

我们宇宙中绝大多数量子场都有且仅有一个基态,在基态下它们会永远保持稳定。当然,只是绝大多数场,而不是所有。

真假真空

在上世纪七十年代,物理学家开始意识到另一类量子场的重要性。它们的值,甚至平均值,都不是零。这样的一个“标量场”像是许多以固定的特定角度 —— 比如 10 度 —— 倾斜的钟摆组成的。这种状态可以是基态:这些钟摆更倾向于停在这个角度,此时它们是稳定的。

2012 年,实验物理学家在大型强子对撞机上证实宇宙中存在一种叫做“希格斯场”的标量场。在炙热的早期宇宙中,希格斯场的钟摆起初指向正下方。但随着宇宙逐渐冷却,希格斯场的状态发生了变化,就像水变成冰一样,它的钟摆都偏离正下并上升到了一个相同的角度。(这个非零的希格斯场为许多基本粒子赋予了质量。)

如果周围有希格斯场,那么真空并不是绝对稳定。一个场的钟摆或许会有许多亚稳态的角度,并可能从一种状态转变为另一种。比如,理论家们就还不确定希格斯场是否处于它最稳定的状态 —— 真正的真空。一些人认为,尽管希格斯场目前的状态据研究维持了 138 亿年,但它只是暂时稳定,或者说“处于亚稳态”。

如果真的如此,那么美好的时光就不会一直持续下去。在二十世纪八十年代,物理学家科尔曼和德卢西亚描述了希格斯场的伪真空态是如何“衰变”的。在某个时刻,如果一些位置上足够多的钟摆摆动到了真正的真空 —— 或者说虚无 —— 所对应的更有利于稳定的角度,它们就会将它们的邻居拖到相同的角度,然后这个局域的真空会以接近光速的速度扩张。随着真空的扩张,目前的物理学将被改写,路径上的原子和分子将灰飞烟灭。(不过不必恐慌,即使我们目前的真空真的只是亚稳态,考虑到目前的稳定性,它也会再持续几十亿年。)

在希格斯场潜在的可变性中,物理学家在近乎无穷多种方式之中发现了真空毁灭一切的第一种方式。

问题越多,真空越多。

当各种场同时存在时,它们会相互作用,影响彼此的钟摆,并建立新的公有状态,在这种状态下它们更稳定。物理学家把这些真空想象成起伏的“能量大地”中凹陷的山谷。不同的摆角对应不同的能量值,或“能量地面”的高度。一个场会倾向于降低它的能量,就像石头会滚下山。最深的山谷是基态,但石头可以停在相对高的山谷 —— 至少保持一段时间。

几十年前,这片“能量大地”的数目爆发了。物理学家波尔津斯基 (Joseph Polchinski) 和布索 (Raphael Bousso) 当时正在研究弦理论,弦理论是描述量子引力的主要数学框架。弦理论只有在宇宙是 10 维的情况下才有效,而额外的维度会缩小到无法探测。波尔津斯基和布索在 2000 年计算出,这些额外的维度可以以多种方式折叠。每一种折叠方式都会形成一个符合自己物理定律的独特真空

弦理论允许出现无数真空的这一解释,与近 20 年前的另一项发现相吻合。

20 世纪 80 年代初,宇宙学家提出了一种被称为宇宙膨胀的假说,它已成为宇宙诞生的主要理论。该理论认为,宇宙开始于一次快速的指数膨胀,这很好地解释了宇宙为什么如此平滑和巨大。但膨胀理论的成功是有代价的。

研究人员发现,宇宙暴胀一旦开始,就会持续下去。大部分真空会永远猛烈地向外爆炸。只有有限的空间区域会停止膨胀,成为相对稳定的“气泡”,这些气泡由于彼此之间的空间膨胀而分离。暴胀宇宙学家认为,地球就处于其中一个气泡中。

真空的多元宇宙

对一些人来说,我们生活在一个多元宇宙 —— 一个由无数真空泡泡的组成的世界 —— 中的观念令人不安。它使任何一个真空(比如我们的)的本质看起来是随机的和不可预测的,抑制了我们理解宇宙的能力。波尔津斯基告诉物理学家兼作家霍森菲尔德 (Sabine Hossenfelder),发现弦理论的真空景象最初让他非常痛苦,甚至接受了心理治疗。如果弦理论预言了所有可以想象到的虚无,是否也就意味着预言了一切?

对其他人来说,过多的真空并不是问题;“事实上,这是一件好事,”斯坦福大学著名的宇宙学家林德 (Andrei Linde) 说,他也是宇宙暴胀理论的提出者之一。这是因为多元宇宙可能解决了一个巨大的谜团:我们这个真空具有的超低能量

理论学家估计,当宇宙中所有量子场集体振动时,能量是巨大的 —— 足以迅速加速空间的膨胀,并在短时间内撕裂宇宙。但与之相比,实际观察到的空间加速是极其温和的,这表明,大部分集体振动被抵消了,我们的真空的能量有一个非常低的正值

在一个孤立的宇宙中,独一无二的真空所含有的微小能量看起来像一个深奥的谜题;但在多元宇宙中,这只是碰了运气。如果空间中不同的气泡具有不同的能量,并以不同的速率膨胀,那么星系和行星只会在膨胀最慢的气泡中形成。因此,我们平静的真空环境并不比我们星球的适居轨道更神秘:我们在这里发现自己,是因为其他大多数地方都不适合生命生存

不管你喜不喜欢,目前所理解的多元宇宙假说都存在一个问题。尽管弦理论似乎允许存在无数的真空,但到目前为止,还没有人发现一个能量为小正值的微小额外维度折叠,与我们的真空一致。弦理论似乎更容易产生负能量真空。

也许弦理论并不正确,或者它的缺陷可能在于研究人员对它的理解不够成熟。物理学家或许还没有在弦理论中找到处理正真空能的正确方法。“这完全有可能,”普林斯顿高等研究院的物理学家塞伯格 (Nathan Seiberg) 说,“这是一个热点问题。”

或者我们的真空可能本身就随意。“流行的观点是,[具有正能量的] 空间并不稳定,”塞伯格说,“它可能会衰变,这可能也是很难理解它的物理理论的原因之一。”

这些研究人员怀疑,我们的真空不是现实的稳定状态之一,有一天它会振动进入一个更深、更稳定的山谷。这样一来,我们的真空可能会失去或者产生某种粒子。紧密折叠的维度可以展开,甚至真空可能完全不再存在。

“这是另一个选择,”哈洛说,“一个真正的虚无。”

真空的终结

物理学家威腾 (Edward Witten) 在 1982 年首次发现了“虚无气泡”。在研究每一点都有一个额外维蜷缩成一个小圆圈的真空时,他发现,量子不稳定性不可避免地会使额外维振动,有时会使圆圈缩小到一个点。威腾发现,随着维度化为乌有,它带走了一切。这种不稳定性会产生一个迅速膨胀的真空气泡,它镜面般的表面标志着时空本身的终结

这种微小维度的不稳定性长期以来一直困扰着弦理论,人们设计了各种各样的成分来使它们变得稳定。去年 12 月,几位科学家一起计算出了一个额外卷曲维度真空的寿命。他们考虑了各种各样的把式来进行稳定,但发现大多数机制都无法阻止气泡的产生和膨胀。他们的结论与威腾一致:当额外维度的大小低于某个阈值时,真空立即坍缩。扩展了更复杂的模型的类似计算或许可以排除弦理论中低于这个维度的真空。

但是,如果有了足够大的隐藏维度,真空就可以维持亿万年。这意味着理论中的虚无气泡可以与我们的宇宙很好地匹配。如果真的如此,亚里士多德可能比他自己以为的更正确。自然或许不怎么喜欢真空,在无限长的尺度下,它可能根本什么都不喜欢。

本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:Charlie Wood,翻译:藏痴,审校:zhenni

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关键词:真空多元宇宙

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