科学家发现:宇宙或许已经开始解体和更新(图)


宇宙
美国天体物理学家提出,宇宙会以一种称为“真空衰变”(Vacuum Decay)的方式解体。(图片来源:Adobe Stock)

2021年12月,美国天体物理学家萨特(Paul Sutter)在space.com发表的一篇文章中指出,宇宙可能并不像我们想像的那么稳定,并提出宇宙会以一种称为“真空衰变”(Vacuum Decay)的方式解体,而且宇宙很可能已经开始了其解体更新的过程。

据外媒报导,萨特是近年来很活跃的科学专栏作家和演说家。他擅于把高端、难懂的物理知识用通俗的语言讲解给大众,因此广受欢迎。他在新发表的这篇文章里讲述了“真空衰变”的过程。

科学家过去曾提出几种宇宙解体的可能方式,如大撕裂、坍缩,以及现在一些学者较为关注“真空衰变”。

宇宙解体听起来是很可怕,但是科学家设想这并不可怕,他们认为这种解体的过程是从宇宙中的某个点启动,以光速扩散开来,所到之处,所有的物质包括时间都要解体。而到了地球时,人类根本没有任何感觉已经被解体。

不过,这个“解体”并不意味着什么都没有了,科学家认为,“解体”的同时还会再造新的粒子、新的宇宙,更准确地说,这是宇宙的一种“相位变化”(phase transition)的过程,或说是一种更新替代的过程。

萨特在文章中说,要想了解宇宙的稳定性,首先要从“相位变化”的概念说起。那什么是“相位变化”呢?就是指物质经历的快速、剧烈的转变。在生活中,我们看到水烧开变成蒸汽、水冷却又结冰,这些过程就是物体的“相位变化”。而在量子场领域,相位变化的概念就相对难理解一些。

现在的科学家认为,量子场是构成这个宇宙的基础单元。每个粒子,如光子、电子都是一个更基础的量子场在这个空间的体现形式。

所有的空间和时间都泡在这个场里面,就像面包浸泡在橄榄油里一样。这些量子场之间的相互作用和沟通方式,构成了这个空间物质性的体现——包括人们熟悉的粒子间四种基本作用力、乃至整个物质空间的存在形式。

引力、弱核力、电磁力和强核力是人们熟悉的4种基本作用力,可是在宇宙诞生最初期,这些力是统一的一个概念,随着宇宙的扩张和冷却,量子场经历了“相位变化”,导致这些作用力分裂成四种。

萨特说,这个过程在大爆炸之后不到一秒的时间内就完成,之后,宇宙进入“稳定”的状态,由这些作用力发展、演化出这个宇宙中的各种物质,经过一百多亿年,直到我们人类今天看到的这个宇宙。

不太稳定的宇宙

这个宇宙会永远处于这样“稳定”的状态吗?当然不会,萨特说,在量子场的世界里,任何事情都可能发生。

萨特说,探测宇宙稳定性的最佳办法就是通过希格斯玻色子(Higgs boson)的质量。这是一个非常有趣的领域,希格斯玻色子在宇宙中的存在才使得电磁力和弱作用力分开成为两种作用力,如果没有希格斯玻色子,这两种作用力又会重新融合在一起。

在量子物理学中,一个粒子的质量越大,它就越不稳定。大质量粒子容易衰变成轻粒子。因此,如果希格斯玻色子质量很大,它就不可能像看起来的那么稳定,有一天它就会衰变成其它物质。但如果希格斯玻色子质量足够小,它存在的时间就会很久。

目前科学家测量到希格斯玻色子的质量处于“很稳定”和“看似有些不稳定”之间。物理学家把这称为“亚稳态”(metastable),意即目前是稳定的,但一旦某些情况出现变化,它就会快速衰变。

根据这个测量结果,萨特的观点是:目前宇宙的量子场可能会再稳定几百亿年,但另一方面,也意味着宇宙可能已经开始在经历“相位变化”。怎样的变化呢?

萨特说:“只要在宇宙任何地方出现某种细微的搅动,希格斯玻色子就开始衰变,于是基础的量子场将自动形成一种新的、更稳定的结构。这个‘更新’后的空间将以光速在宇宙中扩展,所到之处,替换掉所有旧的宇宙空间。”

这个过程被科学家称为“伪真空衰变”(false vacuum decay)。“伪”的意思是说这个宇宙不是“真的”真空,真的真空应该很稳定,而伪真空则有一天突然就可能出现衰变、更新。

萨特说,等到科学家探测到确凿证据说明“相位变化”已经启动的时候,这个宇宙早就开始更新了。

那么新宇宙的另一边会是什么?萨特说,这是不可能说的清的。可能是平淡无奇,没有任何变化。也可能只发生轻微的调整,又或者是与旧的量子场完全不同,形成一个充满全新的力、场和粒子的宇宙——这将使我们所知的生命(以及相关的化学和原子学)都不可能存在。

责任编辑:穆瑶

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