研究发现真空衰变比预期快一万倍

Daphane

來源:大紀元



物理学家认为，希格斯场衰变将从某处开始，随后向外扩散，形成一个以光速膨胀的球形泡泡，从而改变整个宇宙。此为概念图。(Shutterstock)

【大纪元2024年08月27日讯】（大纪元记者薛止墨编译报导）宇宙空间中充满了一种特殊量子场，研究发现其某些参数的数值注定将会发生变化，这将彻底改变宇宙中的一切。

真空衰变，这个可能将我们所熟知的宇宙带向终结的过程，比原先所预期发生的时间要提早10,000倍。不过，幸运的是，科学家认为这个过程仍然需要非常非常长的时间才会发生。

当物理学家提到“真空”时，这个词似乎指的是空无一物的空间，从某种程度上这是对的。但更精确地说，真空指的是空间的一系列预设值，就像控制面板上的设置。当遍布空间的量子场处于这些预设值时，物理学家就认为空间是虚无的。对这些预设值进行微调可以产生粒子——例如将电磁场稍微调高，就可以产生光子。而大幅度的调整则可以被视为全新的预设值，它们会创造出一个有着不同特性的、全新的宇宙真空。

何为希格斯场

希格斯场是一个其预设值可以发生变化的特殊量子场。它负责控制许多基本粒子的质量，例如电子和夸克。与物理学家所发现的其它量子场不同，希格斯场的预设值是高于零的。调整希格斯场的数值，无论是向上或向下，都会相应地增加或减少电子及其它粒子的质量。如果希格斯场的设定值为零，这些粒子将会变得无质量。

如果没有量子力学的介入，我们可能会永远处于这个非零的预设状态。但量子场能够进行“量子隧穿”，即使在能量不足以跨越更高能阶的情况下，也能跳跃至一个新的、能量更低的状态，这个过程就像是凭空穿透一堵厚墙。

然而，这种跳跃只有在存在一个能量更低的状态时才可能发生。在建造大型强子对撞机之前，物理学家们曾认为希格斯场当前的状态可能是能量最低的。但这个观点现在已经有了新的变化。

希格斯场在不同设定下所需能量的曲线，形似一顶边缘翘起的墨西哥帽。目前希格斯场的状态，可以想像为一颗球静止在帽檐的最低点。

然而，量子的微小修正可能会改变这个曲线的形状。量子场彼此之间会交换能量，举例来说，电子与电磁场的量子交互作用会改变原子的能级——这是1940年代物理学家所发现的现象。

对于希格斯场而言，墨西哥帽帽檐的弯曲程度由希格斯玻色子的质量决定，这是一种传递希格斯场效应的基本粒子，于2012年在大型强子对撞机上被发现。曲线形状的进一步修正来自于与希格斯有强烈交互作用的粒子，如质量较大的顶夸克——已知最重的基本粒子。透过对比希格斯玻色子与顶夸克的质量，物理学家目前认为，墨西哥帽的形状很可能再次下降。在希格斯场更高的设定下，存在一个能量更低的状态。

真空衰变加快

在这种情况下，希格斯场最终将隧穿至该状态，或称为“衰变”。这种衰变将从某处开始，随后向外扩散，形成一个以光速膨胀的球形泡泡，从而改变整个宇宙。基本粒子将变得更加沉重，以至于它们将被重力更强烈地吸引，超越其它力量对它们起到的分离作用。原子将会崩塌。

然而，我们不会在短期内隧穿至更高的希格斯设定。物理学家用不同的方法来估计真空衰变的概率。在最直接的方法中，他们会计算从一个数值转换到另一个数值所需的各种转换——这些转换违反了能量守恒的原则，但量子力学允许这些转换短暂发生——并根据每种情境对能量守恒等规则的违反程度进行权重计算。

根据这些估算，一立方十亿秒差距（cubic gigaparsec）的空间大约每10⁷⁹⁴年会发生一次真空衰变，也就是数字1后面跟着794个零——这是一个难以想像的漫长时间。目前的宇宙学理论认为，自宇宙大爆炸以来，仅仅过去了大约10¹⁰年。

最近，斯洛文尼亚的一组物理学家将他们的新研究于6月24日提交给论文预印网“arxiv: High Energy Physics Phenomenology”。论文声称他们在计算中发现了之前理论的一个小错误，更正这个错误后，宇宙终结的时间从10⁷⁹⁴年提前到10⁷⁹⁰年。尽管这个变化达到了10,000倍，但相较于计算中其它部分的不确定性，这个数字实际上微不足道。不过，最关键的是，这些不确定性都不足以让我们提前面对真空衰变所带来的宇宙灾难。