真空衰变,真正的宇宙级灾难,它到底有多可怕?

真空衰变,真正的宇宙级灾难,它到底有多可怕?

真空衰变

真空衰变(Vacuum decay)是物理学家根据量子场论推测出的一种宇宙中可能会发生的现象,这种现象被称为真正的宇宙级灾难,它到底有多可怕呢?简单来讲就是,真空衰变一旦发生,就会以光速向周围扩张,其所过之处,已知的所有物质结构都会崩溃。

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想要知道真空衰变具体是怎么回事,我们需要先来简单了解一下量子场论,根据该理论的描述,场是比粒子更基本的物质状态,任何粒子都是场的量子激发,每一种粒子都有自己相应的场,这些场在充满了整个宇宙,即使是宇宙真空也不例外,只不过在真空之中,这些场都是“基态场”,也就是能量状态最低的场。

然而物理学家却发现,“希格斯场”(Higgs field)似乎是个例外。

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简单来讲,“希格斯场”在宇宙空间中无处不在,当某些基本粒子与它发生相互作用时,就被赋予了质量,该理论由物理学家彼得.希格斯(Peter Higgs)于1964年提出,2012年,欧洲核子研究中心(CERN)发现了由“希格斯场”产生的“希格斯玻色子”(Higgs boson),从而为该理论提供了实验支持。

物理学家对“希格斯玻色子”的质量进行了测定,得出其最佳测定值约为125.18GeV,在此基础上,物理学家结合了标准模型中最重基本粒子的——“顶夸克”(Top quark)的质量,计算出了“希格斯场”的能量曲线,结果表明,现在宇宙真空中的“希格斯场”,其能量状态并未处于该曲线的最低点。

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这就意味着,现在的宇宙真空并不是处于能量最低状态,而处于一种亚稳定状态,也正是因为如此,物理学家才会推测宇宙中有可能会发生真空衰变。

为什么呢?因为“能量最低原理”,该原理可以简单地描述为:任何物理系统都会自发地趋向于更稳定的状态,而由于一个物理系统的能量越低,其状态就越稳定,因此任何物理系统都会自发地趋向于能量最低的状态。
举个例子,假如我们将一个小球放在一个斜坡上,那么此时这个小球所具备的势能,就会比它位于这个斜坡底部的势能更高,在这种情况下,它就会自发地趋向于滚落到这个斜坡的底部。

物理学家认为,如果现在的宇宙真空并不是处于能量最低状态,那它就应该被称为“伪真空”(False vacuum),与之对应的则是处于能量最低状态的“真正的真空”(Ture vacuum),由于“能量最低原理”适用于宇宙万物,因此“伪真空”就会自发地趋向于向“真正的真空”跃迁。

实际上,这种“伪真空”向“真正的真空”跃迁的过程,就被称为真空衰变。那现在的宇宙为什么没有发生真空衰变呢?物理学家推测,应该是有某种“能量势垒”的阻止。

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为方便理解,我们可以将“伪真空”想象在那个被放在斜坡上的小球,尽管它会自发地趋向于滚落到这个斜坡的底部,但由于有某种障碍物的阻挡,它就被“卡”住了,于是它就会处于一种亚稳定状态,而这个“卡”住它的障碍物,其实就可以认为是一种“能量势垒”。

显而易见的是,如果我们给这个小球输入足够多的能量,那它就可以越过“卡”住自己的障碍物,进而真正地向斜坡的底部滚落,同样的道理,如果“伪真空”里被注入了足够多的能量,那它也能突破“能量势垒”,于是真空衰变就发生了。

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根据物理学家的计算,在“伪真空”向“真正的真空”跃迁的过程中,其释放出的能量,足以令其周围的“伪真空”也能突破“能量势垒”。

所以如果宇宙中的某一区域发生了真空衰变,就会引发其周围的空间也跟着发生真空衰变,而这一过程会反复进行,引发更多的空间也发生真空衰变,如此一来,就形成了一种“连锁反应”。

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其结果就是,一个由“真正的真空”构成的“真空泡”在宇宙中急剧膨胀,而从理论上来讲,其膨胀速度就是光速。

在此过程中,持续进行的真空衰变会释放出极高的能量,而由于“真正的真空”的各种物理常数将会出现变化,因此被“真空泡”吞噬掉的所有物质,都会从基本粒子层面被“重新洗牌”,在这种情况下,我们现在所能看到的宇宙万物都将不复存在,当然也包括我们自己。
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更可怕的是,根据相对论的描述,任何信息的传递速度都不可能超过光速,因此在真空衰变“来袭”之前,我们根本就察觉不到它的存在……

也正因为如此,真空衰变才被称为真正的宇宙级灾难。不过就目前的情况来看,这只是一种未经证实的假说,实际上,现在的宇宙真空到底是不是“伪真空”,还是一个悬而未决的问题。

退一步来讲,就算现在的宇宙真空真的是处于亚稳定状态的“伪真空”,那也需要极高的能量才可能会引发真空衰变,而据我们所知,这样的能量在已知的宇宙中几乎不可能存在。

除此之外,虽然从理论上来讲,“量子隧穿”效应可以允许“伪真空”在能量不足的情况下突破“能量势垒”,进而引发真空衰变,但这种概率非常非常低,基本上可以忽略不计,所以我们不必为此感到担心。

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