作者段躍初

在浩瀚宇宙的神秘面紗下，隱藏著諸多令人敬畏的力量。小行星撞擊、超新星爆發(fā)、黑洞能量噴射等極端事件，每一個(gè)都足以在宇宙中掀起驚濤駭浪，給地球和生命帶來(lái)巨大威脅。然而，有一種幾乎不為人知的現(xiàn)象——真空衰變，一旦發(fā)生，其破壞力遠(yuǎn)超上述災(zāi)難，堪稱宇宙中最可怕的自然災(zāi)難。

大多數(shù)人從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)真空衰變，它的可怕之處在于，這一災(zāi)難源于希格斯場(chǎng)的變化。希格斯場(chǎng)是一種遍布整個(gè)宇宙空間的量子場(chǎng)，其變化將引發(fā)一系列毀滅性連鎖反應(yīng)。真空衰變由純粹的偶然因素觸發(fā)，一旦發(fā)生，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以接近光速膨脹的“量子泡沫”，所到之處，我們習(xí)以為常的物理定律將被徹底顛覆，使我們認(rèn)知中的物質(zhì)無(wú)法存在，生命也將隨之消亡。

幸運(yùn)的是，根據(jù)物理學(xué)家目前最精準(zhǔn)的估算，真空衰變發(fā)生的概率極低，在我們所處的宇宙區(qū)域附近發(fā)生并影響到人類的可能性更是微乎其微。不過(guò)，這個(gè)概率畢竟不為零，且一些最新估算顯示，其發(fā)生的可能性或許比我們過(guò)去認(rèn)為的要稍高一些。盡管如此，大家也不必為此憂心忡忡、輾轉(zhuǎn)難眠?？茖W(xué)家們對(duì)真空衰變現(xiàn)象展開(kāi)深入研究，目的不僅在于揭示量子世界中某些奇妙的特性，更希望借此探索物理學(xué)中那些尚未破解的最深?yuàn)W難題。

在物理學(xué)中，“真空”并非我們通常理解的絕對(duì)空無(wú)一物。我們熟悉的所有物體，從動(dòng)物、植物到礦物，都由原子構(gòu)成，而原子又是量子場(chǎng)中的漣漪。每個(gè)量子場(chǎng)就如同宇宙控制面板上的一個(gè)設(shè)置開(kāi)關(guān)，例如撥動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，電子就會(huì)出現(xiàn)。多數(shù)量子場(chǎng)的默認(rèn)值為零，意味著電子在大多數(shù)空間出現(xiàn)的概率較低，而且這些默認(rèn)狀態(tài)具有穩(wěn)定性，要改變其狀態(tài)需要消耗能量，所需能量大小遵循愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程E = mc2，即粒子質(zhì)量越大，改變其量子場(chǎng)默認(rèn)狀態(tài)所需的能量就越多。

希格斯場(chǎng)是個(gè)例外，它的默認(rèn)值并非零。1964年，包括英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯在內(nèi)的幾位科學(xué)家提出了這一量子場(chǎng)，并以希格斯的名字命名。試圖將希格斯場(chǎng)設(shè)置為零，它會(huì)產(chǎn)生抗拒，宇宙“傾向”于維持一定的希格斯場(chǎng)強(qiáng)度，這個(gè)默認(rèn)值被稱為真空期望值，也就是我們?cè)谡婵罩袑?shí)際觀測(cè)到的希格斯場(chǎng)數(shù)值。

改變希格斯場(chǎng)的默認(rèn)狀態(tài)極為困難。直到2012年，日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)才首次成功測(cè)量到希格斯場(chǎng)極其微小且短暫的變化。如同撥動(dòng)電子開(kāi)關(guān)產(chǎn)生電子一樣，撥動(dòng)希格斯場(chǎng)開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生希格斯玻色子。但這些粒子在產(chǎn)生后會(huì)迅速消失，希格斯場(chǎng)開(kāi)關(guān)又會(huì)回到默認(rèn)狀態(tài)，同時(shí)引發(fā)其他更容易改變狀態(tài)的量子場(chǎng)開(kāi)關(guān)變化，產(chǎn)生電子、光子等粒子。LHC的科學(xué)家們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，最終確鑿地探測(cè)到希格斯玻色子，證實(shí)了希格斯場(chǎng)的存在。

希格斯場(chǎng)的特殊性在于它控制著所有其他粒子的質(zhì)量，相當(dāng)于一個(gè)“總開(kāi)關(guān)”，決定著其他量子場(chǎng)開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性。如果降低希格斯場(chǎng)的值，產(chǎn)生電子或夸克所需的能量就會(huì)減少。物理學(xué)家將改變希格斯場(chǎng)默認(rèn)值的過(guò)程，類比為將巨石推上山坡。若巨石位于山谷底部，推上去后一旦松手，它就會(huì)滾回原處。為使希格斯理論成立，希格斯場(chǎng)需處于類似山谷底部的穩(wěn)定狀態(tài)，但該理論并未詳細(xì)闡述山谷之外的情況。

自20世紀(jì)70年代起，物理學(xué)家就推測(cè)，可能存在另一個(gè)更低的“山谷”，對(duì)應(yīng)著更高的希格斯場(chǎng)設(shè)置值。若此推測(cè)成立，那么我們當(dāng)前宇宙中的希格斯場(chǎng)狀態(tài)只是一個(gè)“假真空”，即暫時(shí)的、并非希格斯場(chǎng)自然傾向的狀態(tài)，而那個(gè)更高設(shè)置值的狀態(tài)才是“真真空”。在真真空狀態(tài)下，希格斯場(chǎng)更強(qiáng)，會(huì)使電子等基本粒子質(zhì)量大幅增加，難以產(chǎn)生，從而打破維持原子存在的平衡。

雖然從假真空轉(zhuǎn)變到真真空看似幾乎不可能，因?yàn)樾枰獙ⅰ熬奘蓖粕细叩纳狡?，但量子物理學(xué)中的量子隧穿效應(yīng)讓不可能成為可能。即使量子場(chǎng)沒(méi)有足夠能量翻越中間的“山坡”，也能通過(guò)量子隧穿效應(yīng)隨機(jī)從高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)。一旦希格斯場(chǎng)發(fā)生這種情況，假真空將終結(jié)，真真空出現(xiàn)。

目前，物理學(xué)家尚不完全確定真空衰變發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)何種情形。據(jù)推測(cè)，它可能始于一個(gè)小區(qū)域，形成一個(gè)氣泡，氣泡內(nèi)希格斯場(chǎng)處于更高設(shè)置值，所有粒子質(zhì)量大幅增加。若氣泡較小，它會(huì)因類似水滴表面張力的力迅速消失；若氣泡足夠大，其內(nèi)部與外部巨大的能量差將促使它開(kāi)始膨脹，并在真空中以光速擴(kuò)張，改變整個(gè)宇宙的希格斯場(chǎng)設(shè)置。在希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)之前，這一切都只是理論推測(cè)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)科學(xué)家們不知道希格斯玻色子的質(zhì)量，無(wú)法確定真空衰變是否真的可能發(fā)生。

LHC團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子后，科學(xué)家們終于能夠計(jì)算真空衰變的概率。2017年，包括哈佛大學(xué)物理學(xué)教授馬修·D·施瓦茨在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)計(jì)算得出，截至當(dāng)時(shí)，真空衰變產(chǎn)生的氣泡到達(dá)地球的概率僅為10????，低到難以想象。2024年，基于更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，這一概率進(jìn)一步降低至約10????。

不過(guò)，計(jì)算過(guò)程存在一定不確定性，且可能存在其他影響真空衰變概率的因素。就像在即將沸騰的水中加入鹽粒，原本零星的氣泡會(huì)大量涌現(xiàn)，因?yàn)辂}粒粗糙的表面為氣泡形成提供了“種子”，促使水快速沸騰。在宇宙中，黑洞可能扮演著類似的角色。2015年，英國(guó)杜倫大學(xué)的露絲·格雷戈里和菲利普·布爾達(dá)，以及紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的伊恩·莫斯研究發(fā)現(xiàn)，特定質(zhì)量的黑洞能像鹽粒促使水沸騰一樣，顯著增加真空衰變的可能性。不過(guò)，這些黑洞必須非常小。

天文學(xué)家觀測(cè)到的大多數(shù)黑洞由恒星死亡形成，這類黑洞在形成后會(huì)因霍金輻射逐漸縮小。質(zhì)量大、曲率平緩的黑洞蒸發(fā)速度極慢，遠(yuǎn)超宇宙年齡；而質(zhì)量極小的黑洞瞬間就會(huì)蒸發(fā)消失；只有質(zhì)量介于兩者之間（約幾盎司）的黑洞，才有可能引發(fā)真空衰變氣泡。在宇宙大爆炸初期，可能形成過(guò)一些原始黑洞，它們或許一開(kāi)始就具備合適的質(zhì)量，或者在后期縮小到合適大小，從而引發(fā)真空衰變。目前，天文學(xué)家尚未找到這類小原始黑洞存在的證據(jù)，不過(guò)若能發(fā)現(xiàn)它們，或許還能解釋暗物質(zhì)這一神秘現(xiàn)象。

2019年，格雷戈里與美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的戴德昌、紐約州立大學(xué)布法羅分校的德?lián)P·斯托伊科維奇合作，計(jì)算出毀滅宇宙所需的小黑洞數(shù)量。斯托伊科維奇對(duì)該課題十分著迷，他表示一旦通過(guò)計(jì)算得出結(jié)論，就必須認(rèn)真對(duì)待。當(dāng)他在佛羅里達(dá)的一次會(huì)議上展示團(tuán)隊(duì)關(guān)于真空衰變的研究成果時(shí)，有聽(tīng)眾質(zhì)疑了解這些有何意義，畢竟真空衰變氣泡以光速傳播，人類根本來(lái)不及察覺(jué)。這一質(zhì)疑促使斯托伊科維奇進(jìn)一步深入研究，他與戴德昌等人發(fā)現(xiàn)，雖然真空衰變氣泡在真空中以光速傳播，但遇到恒星、行星等大質(zhì)量天體時(shí)會(huì)減速。今年，他們發(fā)表預(yù)印論文《世界末日的信號(hào)》，描述了若附近出現(xiàn)真空衰變氣泡，天文學(xué)家可能觀測(cè)到的特定光譜的光爆現(xiàn)象。

此外，班加羅爾國(guó)際理論科學(xué)中心的物理學(xué)家阿肖克·森在2015年提出了一個(gè)頗具想象力的觀點(diǎn)：人類或許能通過(guò)利用宇宙空間的膨脹，在真空衰變中幸存下來(lái)。由于暗能量的作用，宇宙時(shí)空一直在加速膨脹，遙遠(yuǎn)區(qū)域的分離速度甚至超過(guò)光速。森認(rèn)為，如果人類能在宇宙早期向星際間廣泛傳播，就有可能借助宇宙膨脹速度，擺脫真空衰變氣泡的威脅。

盡管科學(xué)家們對(duì)真空衰變已有一定研究，但仍存在諸多未知。粒子對(duì)撞機(jī)更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，以及小黑洞存在的證據(jù)，都可能大幅改變現(xiàn)有計(jì)算結(jié)果。更大的挑戰(zhàn)在于，目前用于計(jì)算真空衰變概率的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型存在局限性，在描述具有極高能量（普朗克能量）的粒子時(shí)會(huì)失效。物理學(xué)家推測(cè)，宇宙中可能存在尚未被發(fā)現(xiàn)的新量子場(chǎng)和新粒子，它們或許會(huì)影響希格斯場(chǎng)，進(jìn)而改變真空衰變發(fā)生的概率，甚至可能意味著希格斯場(chǎng)根本不存在所謂的第二個(gè)“山谷”。

不過(guò)，我們?nèi)祟惖拇嬖诒旧?，就是理解真空衰變的重要線索。如果基于標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算出的真空衰變概率很高，但宇宙卻歷經(jīng)137億年仍未被真空衰變摧毀，這表明一定存在新的物理機(jī)制使宇宙保持穩(wěn)定，也意味著標(biāo)準(zhǔn)模型之外還有未知的物理規(guī)律等待我們?nèi)ヌ剿鳌Ｈ缃裎覀儗?duì)真空衰變的研究和計(jì)算，或許能為未來(lái)在星際中探索的人類后裔指明方向，幫助他們揭開(kāi)宇宙更深層次的奧秘。

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