什么是真空衰变_真空衰变的效果

“真空衰变”(Vacuum decay)是物理学家根据量子场论推测出的一种假说,有一种观点将其解读为:如果宇宙中的某一区域出现了“真空衰变”,那么“真空衰变”就会以光速从该区域向四面八方扩散,并最终达到毁灭整个宇宙的效果。这到底是怎么回事呢?下面我们就来聊一下这个话题。

什么是真空衰变_真空衰变的效果

什么是“真空衰变”?

想要知道“真空衰变”到底是什么,我们需要先来了解一下“能量最低原理”,该原理可以简单地理解为,宇宙万物都会自发地趋向于更稳定的状态,而宇宙万物都会遵循“能量越低就越稳定”的规律,因此宇宙万物都会自发地趋向于能量最低的状态。

什么是真空衰变_真空衰变的效果

“能量最低原理”在我们身边可以说是随处可见,一个典型的例子就是,水总是会自发地从高处向低处流动,这就是因为位于低处的重力势能更低。

实际上,对于宇宙真空而言,“能量最低原理”也同样适用,也就是说,如果宇宙真空并不是处于能量最低状态,那么在一定的条件下,宇宙真空就会向更低的能量状态“跌落”,而这个过程就被称为“真空衰变”。

为什么会有“真空衰变”这种假说呢?

这其实与“希格斯玻色子”(Higgs boson)有关,早在1964年,物理学家彼得.希格斯(Peter Higgs)就提出了“希格斯场”(Higgs field)的概念,他认为“希格斯场”是一种在宇宙空间中无处不在的量子场,当某些基本粒子与“希格斯场”发生相互作用时,就被赋予了质量。

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从理论上来讲,“希格斯场”会产生一种被称为“希格斯玻色子”的微观粒子,而在2013年的时候,欧洲核子研究组织(CERN)真的在实验中发现了“希格斯玻色子”,彼得.希格斯提出的理论也因此而得到了证实。

除了给一些基本粒子赋予质量之外,“希格斯场”还与宇宙真空的能量状态密切相关,有意思的是,研究人员发现,“希格斯玻色子”的质量约为126GeV,与之相比,假如宇宙真空是处于最低能量状态的话,“希格斯玻色子”的质量就应该更低。

这就意味着,宇宙真空有可能并不是处于能量最低状态,而如果真是这样的话,那么在一定的条件下,“真空衰变”就会发生。

那么,“真空衰变”真的能以光速毁灭整个宇宙吗?

假设宇宙真空真的是没有处于能量最低状态,那么我们就可以将其称为“伪真空”(False vacuum),与之对应的是,处于能量最低状态的宇宙真空,则可以称为“真实的真空”(Ture vacuum)。

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研究者推测,“伪真空”之所以没有向能量更低的状态“跌落”,其实是因为有一种“能量势垒”的阻止作用,为方便理解,我们不妨将其想象成一个位于半山腰的铁球,尽管它存在着继续往下掉的趋势,但由于在半山腰的位置上存在着一种地势的阻挡,它就不会继续往下掉。

显而易见的是,假如我们用一定的力量推动这个铁球越过阻挡它的地势,它就会不可避免地继续往下掉。

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同样的道理,如果我们向“伪真空”里注入足够大的能量,那么“伪真空”就可以突破“能量势垒”的阻止,进而向“真实的真空”“跌落”,于是“真空衰变”就发生了。

正如我们所知,如果一个系统向更低能量状态转变,那么该系统就会释放出能量,据此我们不难推测出,“真空衰变”同样也会释放出能量。根据研究者的计算,“真空衰变”释放出的能量其实是很大的,大到足以令其周围的“伪真空”也突破“能量势垒”。

在这种情况下,如果宇宙中的某一区域发生了“真空衰变”,那么其释放出的能量就会引发周围的空间发生“真空衰变”,而周围的空间发生了“真空衰变”,又会引发更多的空间也发生“真空衰变”……

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如此一来,就形成了一种不可阻止的连锁反应,其造成的效果就是一个由“真实的真空”构成的球体空间在宇宙中急剧膨胀,而从理论上来讲,这个球体空间的膨胀速度,其实就是光速。 由于这个球体空间的“表面”充斥着巨大的能量,因此在其所过之处,宇宙中的众多天体都会分崩离析,更重要的是,“真实的真空”中的各种物理常数都会发生变化,尽管我们不知道具体会怎么变化,但几乎可以肯定的是,在“真空衰变”发生之后的宇宙空间中,各种物质的构造将与我们现在所看到的完全不同。
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由此可见,“真空衰变”其实是会改变宇宙,而不是会毁灭宇宙。当然了,从我们人类的角度来看,“真空衰变”确实可以说是意味着毁灭,不过我们也不必为此感到担心,毕竟这只是一种从未经过证实的假说

实际上,已知的超高能宇宙射线的能量高达3.2 x 10^20 eV,这大概是欧洲大型强子对撞机(LHC)的最大输出的3000万倍,而即使是如此高的能量,也没有引发“真空衰变”,这就说明了,就算上述假说是正确的,触发“真空衰变”的条件也非常高,以至于其发生的可能性微乎其微。

另一方面来讲,宇宙是处于一种持续膨胀的状态,这就会造成宇宙空间中任意两个不重叠的点都会互相远离,两个点的距离越远,这种远离的速度就会越快,当距离达到一定程度的时候,这种因为宇宙膨胀而互相远离的速度就会超过光速。

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这就意味着,即使宇宙中某一区域因为特殊原因(比如说“量子隧穿效应”或者高级文明)发生了“真空衰变”,也不会毁灭整个宇宙,原因就是:只能以光速扩散的“真空衰变”,根本就“追”不上那些因为宇宙膨胀而以超光速远离该区域的遥远天体。
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