我是斜杠青年，一個(gè)熱愛自然科學(xué)的“雜食性”學(xué)者！

了解宇宙起源和命運(yùn)的關(guān)鍵可能是要更全面地了解真空。

千禧年前，亞里士多德斷言大自然憎惡真空，認(rèn)為物體會(huì)以不可能的速度飛過真正空曠的空間。1277年，法國主教艾蒂安·坦皮爾回?fù)?，宣布上帝可以做任何事情，甚至可以制造真空?/p>

然后，奧托·蓋里克發(fā)明了一種泵，從空心銅球中吸入空氣，這也許是地球上第一個(gè)高質(zhì)量的真空。在1654年的一次戲劇演示中，他表明，即使是兩隊(duì)馬努力撕開西瓜大小的球，也無法把它拉開。

從那時(shí)起，真空已成為物理學(xué)的基石概念，是任何某物理論的基礎(chǔ)。電磁真空是缺乏可以減慢光線的介質(zhì)。引力真空缺乏任何能夠彎曲空間的物質(zhì)或能量。在每種情況下，無所有事物的具體種類都取決于物理學(xué)家打算描述什么樣的東西。伊利諾伊大學(xué)的理論物理學(xué)家帕特里克·德雷珀表示：有時(shí)，這是我們定義理論的方式。

隨著現(xiàn)代物理學(xué)家與更復(fù)雜的自然終極理論候選者作斗爭，他們遇到了越來越多的無物類型。每個(gè)人都有自己的行為，好像它是物質(zhì)的不同階段。似乎越來越了解宇宙起源和命運(yùn)的關(guān)鍵可能是仔細(xì)考慮這些不斷擴(kuò)散的缺失變體。

加利福尼亞州卡夫利理論物理研究所的粒子物理學(xué)家伊莎貝爾·加西亞·加西亞表示：“我們正在學(xué)習(xí)比我們想象的要學(xué)到的更多東西。”

我們還錯(cuò)過了多少？

到目前為止，這些研究得出了一個(gè)戲劇性的結(jié)論：我們的宇宙可能坐落在一個(gè)劣質(zhì)建筑的平臺(tái)上，一個(gè)“可變的”真空，在遙遠(yuǎn)的將來注定要變成另一種無所有的東西，在這個(gè)過程中摧毀一切。

量子虛無

在20世紀(jì)，隨著物理學(xué)家開始將現(xiàn)實(shí)視為場的集合，在每個(gè)點(diǎn)上都充滿值的空間的物體（例如，電場告訴你電子在不同地方會(huì)感受到多少力）。在經(jīng)典物理學(xué)中，一個(gè)場的值可以在任何地方為零，因此它沒有影響，也不包含能量。麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家Daniel Harlow，表示：“從經(jīng)典上講，真空吸塵器很無聊。”

但物理學(xué)家了解到，宇宙的場是量子的，而不是經(jīng)典的，這意味著它們本質(zhì)上是不確定的。你永遠(yuǎn)不會(huì)捕捉到完全零能量的量子場。Harlow將量子場比作一個(gè)鐘擺數(shù)組——在空間的每個(gè)點(diǎn)一個(gè)——其角度代表該場的值。每個(gè)鐘擺幾乎筆直懸掛，但來回顫抖。

量子場將保持其最小能量配置，稱為“真正的真空”或“基態(tài)”。（基本粒子是這些場中的漣漪。）加西亞·加西亞表示：“當(dāng)我們談?wù)撓到y(tǒng)的真空時(shí)，我們以某種松散的方式想到了系統(tǒng)的首選狀態(tài)?！?/p>

充斥我們宇宙的大多數(shù)量子場都有一個(gè)，也只有一個(gè)首選狀態(tài)，它們將永遠(yuǎn)處于這種狀態(tài)。大多數(shù)，但不是全部。

真假真空吸塵器

在20世紀(jì)70年代，物理學(xué)家開始意識(shí)到不同類別的量子場的重要性，其值甚至平均值也不希望為零。這樣的“標(biāo)量場”就像一個(gè)鐘擺的集合，都以10度的角度盤旋。這種配置可以是基態(tài)：鐘擺更喜歡這個(gè)角度，并且是穩(wěn)定的。

2012年，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)人員證明，一個(gè)被稱為希格斯場的標(biāo)量場滲透到宇宙中。起初，在炎熱的早期宇宙中，它的鐘擺指向下。但隨著宇宙的冷卻，希格斯田地發(fā)生了變化，就像水可以凍結(jié)成冰一樣，它的鐘擺都上升到相同的角度。（這個(gè)非零希格斯值賦予許多基本粒子質(zhì)量的性質(zhì)。）

在周圍有標(biāo)量場的情況下，真空的穩(wěn)定性不一定是絕對(duì)的。一個(gè)字段的擺可能有多個(gè)半穩(wěn)定的角度，以及從一種配置切換到另一種配置的傾向。例如，理論家不確定希格斯場是否找到了它絕對(duì)最喜歡的配置——真正的真空。有些人認(rèn)為，盡管該領(lǐng)域已經(jīng)持續(xù)了138億年，但只是暫時(shí)穩(wěn)定的。

如果是這樣，好時(shí)光不會(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去。20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家西德尼·科爾曼和弗蘭克·德·盧西亞描述了如何標(biāo)量場的假真空可能會(huì)“衰變”。在任何時(shí)候，如果某個(gè)地方有足夠的鐘擺抖動(dòng)成更有利的角度，它們會(huì)拖著鄰居迎接他們，真正的真空氣泡將以接近光速向外飛去。它將隨著時(shí)間的推移重寫物理學(xué)，破壞其路徑中的原子和分子。（不要驚慌。即使我們的真空只是元穩(wěn)定的，鑒于其迄今為止的持久力，它也可能再持續(xù)數(shù)十億年。）

在希格斯場的潛在變異性中，物理學(xué)家確定了幾乎無限多的方法中的第一個(gè)，即虛無可以殺死我們所有人。

更多問題，更多真空吸塵器

隨著物理學(xué)家試圖將自然界的既定定律納入更大的范圍（在此過程中填補(bǔ)了我們理解的巨大空白），他們用額外的領(lǐng)域和其他成分捏造了自然的候選理論。

當(dāng)田地堆積時(shí)，它們相互作用，影響彼此的鐘擺，并建立他們喜歡卡住的新相互配置。物理學(xué)家將這些真空想象成滾動(dòng)的“能源景觀”中的山谷。不同的鐘擺角度對(duì)應(yīng)于不同數(shù)量的能量或能量景觀中的高度，一個(gè)磁場試圖降低其能量，就像石頭試圖向下滾動(dòng)一樣。最深的山谷是地面狀態(tài)，但無論如何，石頭都可以在更高的山谷中靜止一段時(shí)間。

幾十年前，景觀大規(guī)模爆發(fā)。物理學(xué)家Joseph Polchinski和Raphael Bousso正在研究弦理論的某些方面，描述重力量子方面的領(lǐng)先數(shù)學(xué)框架。只有當(dāng)宇宙有大約10個(gè)維度時(shí)，弦理論才會(huì)起作用，多余的維度蜷縮成太小的形狀，無法檢測到。Polchinski和Bousso2000年計(jì)算出，這種額外的維度可以以多種方式折疊起來。每種折疊方式都會(huì)形成一個(gè)獨(dú)特的真空，并具有自己的物理定律。

弦理論允許近無數(shù)真空的發(fā)現(xiàn)與近二十年前的另一個(gè)發(fā)現(xiàn)相符。

20世紀(jì)80年代初，宇宙學(xué)家提出了一種被稱為宇宙膨脹的假設(shè)，該假設(shè)已成為宇宙誕生的主要理論。該理論認(rèn)為，宇宙始于快速的指數(shù)膨脹，這很容易解釋宇宙的平穩(wěn)性和巨大性。但膨脹的成功是有代價(jià)的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，一旦宇宙通脹開始，它就會(huì)繼續(xù)下去。大多數(shù)真空會(huì)永遠(yuǎn)向外猛烈爆炸。只有有限的空間區(qū)域才會(huì)停止膨脹，成為相對(duì)穩(wěn)定的氣泡，通過膨脹之間的空間而彼此分離。通脹宇宙學(xué)家認(rèn)為，我們稱其中一個(gè)泡沫為家。

真空的多元宇宙

對(duì)一些人來說，我們生活在一個(gè)多元宇宙中——無窮無盡的真空氣泡景觀——的概念是令人不安。它使任何一種真空（如我們的）的性質(zhì)看起來都是隨機(jī)和不可預(yù)測的，限制了我們理解宇宙的能力。Polchinski2018年去世前，告訴物理學(xué)家兼作家Sabine Hossenfelder，發(fā)現(xiàn)弦理論的真空景觀最初讓他如此痛苦，以至于導(dǎo)致他尋求治療。如果弦理論預(yù)測了所有可以想象的零種，它預(yù)測了什么嗎？

Andrei Linde表示：對(duì)其他人來說，過多的真空不是問題；“事實(shí)上，這是一種美德，”這是因?yàn)槎嘣钪婵赡芙忾_了一個(gè)很大的謎團(tuán)：我們特定真空的超低能量。Andrei Linde是斯坦福大學(xué)著名的宇宙學(xué)家，也是宇宙通脹理論的作者之一。

當(dāng)理論家天真地估計(jì)宇宙所有量子場的集體抖動(dòng)時(shí)，能量是巨大的——足以快速加速空間的膨脹，并在短時(shí)間內(nèi)撕裂宇宙。但相比之下，觀察到的空間加速度極其溫和，這表明大部分集體抖動(dòng)抵消了，我們的真空的能量正值極低。

在一個(gè)孤獨(dú)的宇宙中，唯一真空的微小能量看起來像一個(gè)深刻的謎題。但在多元宇宙中，這只是愚蠢的運(yùn)氣。如果不同的空間氣泡具有不同的能量并以不同的速度膨脹，那么星系和行星只會(huì)在最昏昏欲睡的氣泡中形成。因此，我們平靜的真空并不比我們星球的軌道更神秘：我們發(fā)現(xiàn)自己在這里，因?yàn)槠渌胤降拇蠖鄶?shù)人都不適合生命。

不管是愛還是恨，目前理解的多元宇宙假設(shè)都有問題。盡管弦理論似乎有無限的真空菜單，但到目前為止沒有人發(fā)現(xiàn)一個(gè)特定的微小額外尺寸折疊，對(duì)應(yīng)于像我們這樣的真空，其幾乎沒有正能量。弦理論似乎更容易產(chǎn)生負(fù)能量真空。

也許弦理論是不真實(shí)的，或者缺陷可能在于研究人員對(duì)它的不成熟理解。物理學(xué)家可能沒有找到處理弦理論中正真空能的正確方法。新澤西州普林斯頓高級(jí)研究所的物理學(xué)家Nathan Seiberg表示：“這是完全可能的，”這是一個(gè)熱門話題。

或者我們的真空吸塵器本質(zhì)上可能很粗略?！捌毡榈目捶ㄊ?，積極帶電的空間不穩(wěn)定?！薄八赡軙?huì)腐爛成其他東西，所以這可能是很難理解它的物理的原因之一?！?/p>

這些研究人員懷疑，我們的真空不是現(xiàn)實(shí)的首選狀態(tài)之一，總有一天它會(huì)陷入一個(gè)更深、更穩(wěn)定的山谷。如果是這樣的話，我們的真空可能會(huì)失去產(chǎn)生電子的場，或者拿起一個(gè)新的粒子調(diào)色板，或者緊密折疊的尺寸可以展開。又或者真空甚至可以完全放棄存在。

“這是另一個(gè)選擇”

真空的結(jié)束

物理學(xué)家愛德華·威滕于1982年首次發(fā)現(xiàn)了“無氣泡”。在研究一個(gè)額外維度在每個(gè)點(diǎn)卷曲成一個(gè)微小圓的真空時(shí)，他發(fā)現(xiàn)量子抖動(dòng)不可避免地會(huì)晃動(dòng)額外的維度，有時(shí)會(huì)將圓縮小到一個(gè)點(diǎn)。Witten發(fā)現(xiàn)，當(dāng)維度消失為虛無時(shí)，它帶走了其他一切。這種不穩(wěn)定性將產(chǎn)生一個(gè)快速膨脹的氣泡，沒有內(nèi)部，其鏡面標(biāo)志著時(shí)空本身的結(jié)束。

這種微小尺寸的不穩(wěn)定性長期以來一直困擾著弦理論，并設(shè)計(jì)了各種成分來使其變硬。12月，加西亞·加西亞與伊利諾伊州的Draper和Benjamin Lillard一起計(jì)算了具有單個(gè)額外卷曲維度的真空壽命。他們考慮了各種穩(wěn)定鐘聲和口哨聲，但他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)機(jī)制都未能阻止氣泡。他們的結(jié)論與Witten的結(jié)論一致：當(dāng)額外維度的大小低于某個(gè)閾值時(shí)，真空立即坍塌。類似的計(jì)算——一個(gè)擴(kuò)展到更復(fù)雜的模型——可以排除弦理論中尺寸低于該大小的真空。

然而，有了足夠大的隱藏維度，真空可以存活數(shù)十億年。這意味著產(chǎn)生無所有泡沫的理論可以合理地與我們的宇宙相匹配。如果是這樣，亞里士多德可能比他知道的更正確。大自然可能不是真空的忠實(shí)粉絲。從長遠(yuǎn)來看，它可能什么都不喜歡。

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