宇宙如何在 "假真空衰變 "中結(jié)束？

宇宙實(shí)際上并不像我們想象的那樣穩(wěn)定。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的超深空視野中的一小片宇宙。(圖片來源：NASA/ESA和哈勃)

世界走向終結(jié)并非因?yàn)榇蟊?，而是因?yàn)橛钪婊鶓B(tài)的量子真空衰變到達(dá)最小值。宇宙曾經(jīng)歷過劇烈的相變，這種相變最終導(dǎo)致了自然界四種基本相互作用力以及我們今天所知道的各種粒子的出現(xiàn)，所有的這一切都發(fā)生在宇宙壽命不到一秒鐘的時(shí)候，而且從那以后它就一直很穩(wěn)定，但它似乎不會永遠(yuǎn)穩(wěn)定下去。

宇宙的相變

要了解宇宙的穩(wěn)定性，首先我們需要談?wù)勏嘧?。相變是指物質(zhì)系統(tǒng)在不同相之間的相互轉(zhuǎn)變，它們無時(shí)無刻不在發(fā)生。當(dāng)你燒一壺開水時(shí)，它就會從液體變成氣體，而當(dāng)你冷卻同樣的水，它變成了一塊冰。

最奇特的相變也許是發(fā)生在量子場上的相變。量子場是宇宙的基本構(gòu)成成分，每一種粒子——比如說，光子或電子——實(shí)際上都只是一個(gè)基本場的局部表現(xiàn)，場像橄欖油浸泡著面包一樣浸透了整個(gè)時(shí)空，這些場相互作用和相互交流的方式構(gòu)成了存在于我們身邊的力和物理。

我們身邊所有的存在都基于四種基本相互作用力：重力、弱相互作用、電磁力、強(qiáng)相互作用，但并非一直都是這個(gè)樣子的，在宇宙早期，這些力是統(tǒng)一的，由于宇宙向外膨脹并冷卻，量子場在相變的過程中逐個(gè)分離成不同的相互作用力。

最后一次相變發(fā)生在電磁力從弱相互作用中剝離出來時(shí)，這種分裂產(chǎn)生了這兩種相互作用的載體——光子和W和Z兩種玻色子，

這次相變發(fā)生在宇宙壽命甚至還不到1s的時(shí)候，而自從這個(gè)事件之后，一切都變得十分穩(wěn)定——不再有分裂、不再有相變，四種相互作用成就了宇宙長達(dá)數(shù)十億年的演化。

所有的一切看起來都十分穩(wěn)定。

宇宙失穩(wěn)

宇宙的穩(wěn)定性很難衡量，像相變?nèi)绱擞腥さ氖虑橐呀?jīng)發(fā)生了超過130億年，130億年的時(shí)間十分漫長，但在量子場的世界里，任何事情都有可能發(fā)生。

希格斯玻粒子圖片（圖片來源：MIT科技評論）

我們探索宇宙穩(wěn)定性的最好辦法是通過希格斯玻色子的質(zhì)量。希格斯玻色子是一個(gè)非常有意思的領(lǐng)域，它不僅是電磁力和弱相互作用分離的原因，也是現(xiàn)在的四種相互作用的狀態(tài)得以維持的原因，如果沒有希格斯玻色子，這四種相互作用力就會重新融合在一起。

在量子物理學(xué)中，一個(gè)實(shí)體的質(zhì)量越大，它就越不穩(wěn)定。例如，質(zhì)量較大的粒子會迅速衰變成較輕的粒子。所以，假如希格斯粒子質(zhì)量巨大，則其穩(wěn)定性較弱，這或許終將使其衰變成其它物質(zhì)；但假如希格斯粒子足夠輕，它很可能會永遠(yuǎn)游離于宇宙之中，而宇宙中的量子場也毫無疑問會一直存在下去。

科學(xué)家在對希格斯粒子進(jìn)行測量的過程中發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量使宇宙介于“真實(shí)的、絕對的穩(wěn)定狀態(tài)”和“哦，不，它看起來有點(diǎn)不穩(wěn)定”的體系之間。物理學(xué)家稱這種狀態(tài)為“亞穩(wěn)態(tài)”——目前情況很穩(wěn)定，但如果出了問題，有可能會急劇惡化。

尋找穩(wěn)定的宇宙

宇宙中量子場明顯的亞穩(wěn)態(tài)令人惴惴不安。雖然相關(guān)研究表明宇宙可以持續(xù)數(shù)十億年甚至數(shù)萬億年，沒有任何問題，但存在著宇宙已經(jīng)開始轉(zhuǎn)變的可能，只需要在宇宙的某個(gè)隨機(jī)區(qū)域稍微偏向一個(gè)錯(cuò)誤的方向，就有可能發(fā)生希格斯粒子解體，而潛在的量子場找到了一個(gè)新的且更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而該區(qū)域的“新”宇宙隨即會以接近光速的速度向外傳播，穿過整個(gè)“舊”宇宙。

這種相變被稱為“假真空衰變”，這種理論認(rèn)為我們所生存的宇宙是真空這一觀點(diǎn)是“錯(cuò)誤的”——因?yàn)樗⒉幌裎覀兛瓷先ツ敲捶€(wěn)定，它有一天會衰變成新的東西。

當(dāng)我們收到任何關(guān)于相變的信息時(shí)，它就已經(jīng)在發(fā)生了。

在那個(gè)新宇宙的另一邊會是什么樣呢？目前無法給出定論?；蛟S它沒有任何改變，新的量子場和舊的量子場一模一樣；也或許它只是進(jìn)行了一個(gè)輕微的調(diào)整，例如對暗能量性質(zhì)或中微子質(zhì)量的輕微調(diào)整；又或許，它發(fā)生了巨大的變化，變成一個(gè)充滿了全新的作用力、場和粒子的宇宙——使我們熟知的生命（還有化學(xué)和原子）無法存在。

我們目前無法百分百確定亞穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，但正如我們熟知的，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型并不完整，一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)模型有可能會顛覆我們對量子場的理解，以及“穩(wěn)定-不穩(wěn)定”之間的標(biāo)準(zhǔn)的確定。

BY: Paul Sutter

FY: 明里、楊帆

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