科学探索|宇宙会在“假真空衰变”中迎来终结吗?
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 。
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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
【科学探索|宇宙会在“假真空衰变”中迎来终结吗?】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” 。
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