什麼是「真空衰變」?「真空衰變」真的能以光速毀滅整個宇宙嗎?

天空之城 2022/10/10 檢舉 我要評論

「真空衰變」(Vacuum decay)是物理學家根據量子場論推測出的一種假說,有一種觀點將其解讀為:如果宇宙中的某一區域出現了「真空衰變」,那麼「真空衰變」就會以光速從該區域向四面八方擴散,并最終達到毀滅整個宇宙的效果。這到底是怎麼回事呢?下面我們就來聊一下這個話題。

什麼是「真空衰變」?

想要知道「真空衰變」到底是什麼,我們需要先來了解一下「能量最低原理」,該原理可以簡單地理解為,宇宙萬物都會自發地趨向于更穩定的狀態,而宇宙萬物都會遵循「能量越低就越穩定」的規律,因此宇宙萬物都會自發地趨向于能量最低的狀態。

「能量最低原理」在我們身邊可以說是隨處可見,一個典型的例子就是,水總是會自發地從高處向低處流動,這就是因為位于低處的重力勢能更低。

實際上,對于宇宙真空而言,「能量最低原理」也同樣適用,也就是說,如果宇宙真空并不是處于能量最低狀態,那麼在一定的條件下,宇宙真空就會向更低的能量狀態「跌落」,而這個過程就被稱為「真空衰變」。

為什麼會有「真空衰變」這種假說呢?

這其實與「希格斯玻色子」(Higgs boson)有關,早在1964年,物理學家彼得.希格斯(Peter Higgs)就提出了「希格斯場」(Higgs field)的概念,他認為「希格斯場」是一種在宇宙空間中無處不在的量子場,當某些基本粒子與「希格斯場」發生相互作用時,就被賦予了質量。

從理論上來講,「希格斯場」會產生一種被稱為「希格斯玻色子」的微觀粒子,而在2013年的時候,歐洲核子研究組織(CERN)真的在實驗中發現了「希格斯玻色子」,彼得.希格斯提出的理論也因此而得到了證實。

除了給一些基本粒子賦予質量之外,「希格斯場」還與宇宙真空的能量狀態密切相關,有意思的是,研究人員發現,「希格斯玻色子」的質量約為126GeV,與之相比,假如宇宙真空是處于最低能量狀態的話,「希格斯玻色子」的質量就應該更低。

這就意味著,宇宙真空有可能并不是處于能量最低狀態,而如果真是這樣的話,那麼在一定的條件下,「真空衰變」就會發生。

那麼,「真空衰變」真的能以光速毀滅整個宇宙嗎?

假設宇宙真空真的是沒有處于能量最低狀態,那麼我們就可以將其稱為「偽真空」(False vacuum),與之對應的是,處于能量最低狀態的宇宙真空,則可以稱為「真實的真空」(Ture vacuum)。

研究者推測,「偽真空」之所以沒有向能量更低的狀態「跌落」,其實是因為有一種「能量勢壘」的阻止作用,為方便理解,我們不妨將其想象成一個位于半山腰的鐵球,盡管它存在著繼續往下掉的趨勢,但由于在半山腰的位置上存在著一種地勢的阻擋,它就不會繼續往下掉。

顯而易見的是,假如我們用一定的力量推動這個鐵球越過阻擋它的地勢,它就會不可避免地繼續往下掉。

同樣的道理,如果我們向「偽真空」里注入足夠大的能量,那麼「偽真空」就可以突破「能量勢壘」的阻止,進而向「真實的真空」「跌落」,于是「真空衰變」就發生了。

正如我們所知,如果一個系統向更低能量狀態轉變,那麼該系統就會釋放出能量,據此我們不難推測出,「真空衰變」同樣也會釋放出能量。根據研究者的計算,「真空衰變」釋放出的能量其實是很大的,大到足以令其周圍的「偽真空」也突破「能量勢壘」。

在這種情況下,如果宇宙中的某一區域發生了「真空衰變」,那麼其釋放出的能量就會引發周圍的空間發生「真空衰變」,而周圍的空間發生了「真空衰變」,又會引發更多的空間也發生「真空衰變」……

如此一來,就形成了一種不可阻止的連鎖反應,其造成的效果就是一個由「真實的真空」構成的球體空間在宇宙中急劇膨脹,而從理論上來講,這個球體空間的膨脹速度,其實就是光速。

由于這個球體空間的「表面」充斥著巨大的能量,因此在其所過之處,宇宙中的眾多天體都會分崩離析,更重要的是,「真實的真空」中的各種物理常數都會發生變化,盡管我們不知道具體會怎麼變化,但幾乎可以肯定的是,在「真空衰變」發生之后的宇宙空間中,各種物質的構造將與我們現在所看到的完全不同。

由此可見,「真空衰變」其實是會改變宇宙,而不是會毀滅宇宙。當然了,從我們人類的角度來看,「真空衰變」確實可以說是意味著毀滅,不過我們也不必為此感到擔心, 畢竟這只是一種從未經過證實的假說

實際上,已知的超高能宇宙射線的能量高達3.2 x 10^20 eV,這大概是歐洲大型強子對撞機(LHC)的最大輸出的3000萬倍,而即使是如此高的能量,也沒有引發「真空衰變」,這就說明了,就算上述假說是正確的,觸發「真空衰變」的條件也非常高,以至于其發生的可能性微乎其微。

另一方面來講,宇宙是處于一種持續膨脹的狀態,這就會造成宇宙空間中任意兩個不重疊的點都會互相遠離,兩個點的距離越遠,這種遠離的速度就會越快,當距離達到一定程度的時候,這種因為宇宙膨脹而互相遠離的速度就會超過光速。

這就意味著,即使宇宙中某一區域因為特殊原因(比如說「量子隧穿效應」或者高級文明)發生了「真空衰變」,也不會毀滅整個宇宙,原因就是:只能以光速擴散的「真空衰變」,根本就「追」不上那些因為宇宙膨脹而以超光速遠離該區域的遙遠天體。

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