宇宙會在“假真空衰變”中迎來終結嗎?

北京時間12月10日消息,據國外媒體報道,宇宙可能並不像你想象的那麼穩定。世界終結的方式可能是這樣的:不是砰的一聲巨響,而是宇宙基態的量子真空衰變到它真正的最小值。宇宙在過去經歷了劇烈的相變。這些相變最終導致了自然界4種基本力的分化,以及我們今天所知道的所有粒子。

宇宙會在“假真空衰變”中迎來終結嗎?

所有這一切都發生在宇宙誕生不到1秒的時候,從那時起,宇宙就一直很穩定。

但是,宇宙可能不會永遠這麼持續下去。

一個分裂的宇宙

要理解宇宙的穩定性,我們首先要討論什麼是相變。相變是指物質經歷的快速、劇烈的轉變。這是我們經常能見到的現象。當你把水燒開時,水就從液體轉變成為氣體;當你把水冷卻下來時,它又會變成一大塊冰。這些過程就是相變。

也許最奇特的相變發生在量子場中。量子場是宇宙的基本組成部分,每一種粒子——如光子或電子——實際上只是一個基礎場的局部表現形式。這些場佔據了所有的空間和時間,就像蘸了橄欖油的麵包。正是這些場相互作用和交流的方式,構成了使我們能夠存在的力和物理學特徵。

這種存在基於4種基本力:引力、弱核力、電磁力和強核力。但情況並非一直如此。在宇宙最初的時刻,這些力是統一的。隨着宇宙的膨脹和冷卻,量子場經歷了相變,開始一個接一個地分裂。

最終的相變發生在電磁力從弱核力分裂之時。這種分裂產生了光子和W及Z玻色子。在物理學中,W及Z玻色子時負責傳遞弱核力的基本粒子。此次分裂事件發生在宇宙誕生還不到1秒的時候,自此之後,一切都是穩定的——不再分裂,不再相變。自然界的4種基本力在數十億年的時間裡不斷地塑造着宇宙的演變。

目前看來,一切都很穩定——至少目前如此。

其實不太穩定

宇宙的穩定性很難測量。當然,像相變這樣有趣的過程已經發生了超過130億年的時間。的確,130億年是很長的一段時間,但在量子場的世界里,任何事情都可能發生。

探測宇宙穩定性的最好辦法就是通過希格斯玻色子的質量。希格斯粒子是一個非常有趣的領域;其在宇宙中的存在將電磁力從弱核力中分離出來,並維持了今天的分裂狀態。如果沒有希格斯玻色子,這些力將重新融合在一起。

在量子物理學中,一個實體的質量越大,它就越不穩定。例如,大質量粒子會迅速衰變為較輕的粒子。因此,如果希格斯粒子的質量很大,它就不可能像看起來的那麼穩定,在一段時間之後,它可能會衰變為別的東西。但如果希格斯玻色子的質量足夠小,它可能就會永遠存在,宇宙量子場的未來可能就沒有多少變化了。

對希格斯粒子的測量發現,其質量會使宇宙處於“真正穩定”和“看起來不是很穩定”之間。物理學家稱這種狀態為“亞穩態”,即這種狀態目前看來是穩定的,但一旦出現問題,就會迅速變化。

尋找穩定性

宇宙量子場的亞穩態有些令人不安。當然,宇宙可能依然可以持續數十億年,甚至數萬億年,沒有任何問題;但另一方面,這也可能意味着宇宙已經開始轉變。只需宇宙的某個隨機區域朝錯誤的方向“輕輕一晃”,希格斯玻色子就會分崩離析,而底層的量子場就會找到一個新的、更穩定的結構。“新”宇宙的區域會以接近光速的速度向外傳播,直接穿過“舊”宇宙。這種相變被科學家稱為“假真空衰變”。在量子場論中,假真空是一種理論狀態,指的是真空態處於穩態,但並不處於系統最小能量狀態,即准穩態。假真空可在准穩態保持很長時間的穩定,但最終還是會衰變到更穩定的狀態中,即所謂的“假真空衰變”。

當我們接收到任何關於這種相變的信息時,該過程其實已經發生了。新宇宙的另一邊會是什麼?這很難說。一切可能完全平淡無奇,新的量子場看起來就與舊的量子場一模一樣,沒有任何變化。也可能只發生輕微的調整,比如暗能量的性質發生了微調,或者對中微子質量的微調。或者,新的量子場可能完全不同,形成一個充滿全新的力、場和粒子的宇宙——這將使我們所知的生命(以及相關的化學和原子學)都不可能存在。

當然,我們目前還不能百分之百確定亞穩態的標準。我們也知道,粒子物理學的標準模型是不完整的。對宇宙亞穩態的完整認識可能會改寫我們對量子場的理解,並幫助我們最終界定“穩定-不穩定”的界線。

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