在探讨宇宙的最终命运时,除了热寂、大撕裂和大坍缩等已知理论,还有一种颇具颠覆性的末日情景,即真空衰变。很多人初听“真空”二字,很可能联想到的是空无一物的空间。但在量子物理学家看来,真空并非空洞,还可以分为“真真空”和“伪真空”。真真空的基态能量低于伪真空,而我们的宇宙可能一直处于这种“伪真空”状态。
要理解真空的本质,首先需明确在量子场论中,万物的根本都是各种“场”。我们触碰的物体和观察到的天体,最终都是由电子和夸克等基本粒子构成的。而这些粒子其实是相应场的激发现象。在看似空荡荡的地方,场仍然存在,只是处于最低能量的“基态”中。通常,我们会认为基态是最为稳定的,就像小球停在山谷底。同时,这也隐藏了一种可能性:我们可能并非真正在谷底,而只是站在半山腰的平台上。
在伪真空中,看似稳定,但实际上它是“亚稳定”的,一旦有外力推动,就会滑落到真正的能量低谷,并释放出巨大的能量。这一过程即为真空衰变。许多人会疑问,如何判断我们所处的宇宙是真真空还是伪真空?科学家确实找到了解答的方法,为此需要关注两个基本粒子:希格斯玻色子和顶夸克。 千亿球友会
希格斯场赋予粒子质量,其势能曲线直接决定了真空的能量状态。而顶夸克是已知最重的基本粒子,其与希格斯场的相互作用会影响真空的稳定性。当顶夸克的质量增加时,有可能会导致希格斯场失稳。根据希格斯玻色子和顶夸克的质量划分真空状态,当前测量显示我们的真空正处于稳态和亚稳态的界线,既不能完全确认它绝对安全,也无法坚信它会终将衰变。科学家们发现,顶夸克质量的微小变化可能导致真空状态的根本转变。
假如我们的真空确实是伪真空,那么它如何衰变为真真空呢?就如同上面提到的小球掉落,可以通过施加外力让其翻越平台。这种情况在科幻作品中屡见不鲜。例如,刘慈欣的小说提到的“爱因斯坦赤道”加速器,旨在通过超高能粒子的撞击引发真空衰变。然而,对此的担忧并不足为虑,因为宇宙自有其极为强大的“超级对撞机”。观察到的宇宙射线能量高达320EeV,是LHC最高能量的三千万倍,它们在大气中撞击了亿年之久,足以说明自然界的巨大能量。