宇宙宁静而稳定,哪怕太阳系在50亿年后毁灭了,宇宙也丝毫不会为之动摇。然而,你知道吗?其实在极为特殊的情况下,宇宙也可能突然从内部瞬间毁灭。
真空衰变,它可以在毫无预兆的情况下瞬间摧毁整个宇宙,一旦发生了,地球将存活不过30分钟。会不会在宇宙的某个角落,这种演变已经开始发生了呢?
真空态真的那么稳固吗?要理解真空衰变,先得搞清楚“真空”这个概念。
我们通常以为真空就是一片空荡荡的虚无,但在量子物理学中,真空并不是真正的“空无”。
它实际上充满了虚粒子对的产生与湮灭,这些虚粒子在极短的时间内出现并消失,构成了一个充满活动的量子场。这种状态被称为“真空态”,即处于最低能量状态的量子场。
科学家们猜测,咱们现在所处的这个真空状态可能并不如所想的那么稳如泰山。根据希格斯场的性质,宇宙真空可能是“亚稳态”的,意思就是它的能量比完全稳定的状态略高一点。
这就像你坐在一个摇摇欲坠的椅子上,随时可能掉下来。真空也可能会因为某种机制发生变化,跳到一个能量更低的状态,这个过程就被称为真空衰变。
宇宙终结的隐形杀手真空衰变的可怕之处在于其破坏力的绝对性和瞬时性。假设宇宙中某处的真空发生了衰变,那么这一点将成为一个真空泡。
根据计算,这个真空泡会以光速扩展,速度高达每秒约299,792,458米,也就是光速。所到之处,所有的物质、能量,乃至物理定律,全都灰飞烟灭,不复存在。
更为恐怖的是,真空衰变一旦开始,就根本停不下来。这个毁灭的过程会在极短的时间内席卷整个宇宙。
举个例子,如果真空衰变发生在距离我们10光年的地方,那么在短短10年内,这股毁灭的力量就会以光速抵达地球。而由于光速是宇宙中的最高速,我们根本不可能在真空泡到达前察觉到任何异样,更别提逃跑了。
说得更直接一点,如果真空衰变已经在某个遥远的星系中发生,那么它的毁灭性影响正在以光速逼近我们。
根据目前的理论,这种真空衰变的发生完全是随机的,无法预测。换句话说,我们有可能在某个不经意的未来时刻,突然发现宇宙瞬间变得截然不同:所有的物质、恒星、行星,甚至我们自己,都会在那一瞬间化为乌有。
那么,真空衰变会不会自己发生呢?科学家们的回答是:有可能,但概率小得可怜。
量子力学里的海森堡不确定性原理告诉我们,在某些极端情况下,真空状态确实有可能自发“翻个跟头”。
比如,在大爆炸后的10^-43秒时,温度高达10^32开尔文,足以让量子场剧烈波动,这种状态下真空状态可能会从一个能量高的山顶“滑”到一个更低的山谷,整个宇宙的规则也因此被重塑。
不过,这种自发衰变的概率低得离谱,几乎可以忽略不计。科学家们估算,在现今宇宙条件下,这种衰变可能需要等上10 ^100年才能发生——这时间长得你我都难以想象,几乎可以就当做不存在了。
假设真空衰变真的发生了,我们能不能提前观测到它的存在呢?理论上,这几乎是不可能的。
当然,科学家们还是不愿意放弃,他们一直在绞尽脑汁想办法提前探测这种宇宙级的“坏消息”。
比如,有人提出可以通过观测远处天体的怪异行为,来推测是否有真空衰变正在悄悄发生。不过,这个方法成功的几率非常非常^100低。
还有科学家试图检测遥远恒星光谱的突然变化,或者注意到宇宙微波背景辐射中某些奇怪的波动——这些可能是某种极端事件的迹象。
但问题是,宇宙中还有那么多其他的波动,它们会轻而易举地掩盖这些微弱的信号。
即使我们真的幸运地捕捉到这些信号,也可能来自数亿光年之外,到那时,真空衰变早就以光速向我们逼近,我们恐怕连一秒钟的反应时间都没有了。
人类也能制造真空衰变?既然真空衰变有可能自然发生,那么人类是否有可能“人为”制造这种现象呢?事实上,即使在最先进的粒子对撞实验中,也是连一个黑洞都撞不出来,所产生的能量自然更加不足以引发真空衰变。
除非未来人类科技发展到能操纵宇宙基本能量状态的程度,否则我们基本不可能人为引发真空衰变。
所以我们不必为此感到担忧,因为上面提到了真空衰变自然发生的概率极其微小,几乎可以忽略不计,人类自己也无法凭空制造出来。
还有一点让人无奈的是即使这种现象真的发生了,我们也无法察觉,更谈不上逃避或防范。所以说对于普通人而言,与其担心真空衰变还不如多想想中午吃什么来的实在。
坐井观天还是逆流而上?那么,为什么我们仍然要研究这些理论呢?因为这些理论彼此紧密相连,互为支撑,现在没用只是还没到用的时候。比如什么是暗物质和暗能量?宇宙为什么在不断加速膨胀?
暗物质占据了宇宙总质量的约26.8%,但它不与光发生相互作用,因此难以直接观测。那我们怎么知道它存在呢?
在星系旋转曲线上,恒星的转速并没有随着离开星系中心而减慢,反而保持了高速。这让科学家们挠头不已,因为根据可见物质的质量,恒星的速度本该减慢才对,暗物质这一理论便被提出。
当光线经过大质量天体附近时,会发生弯曲,但观测到的引力效应却比可见物质的质量大得多,这说明有一种“隐形”的质量在起作用——暗物质。
暗能量占据了宇宙总能量的约68.9%,被认为是导致宇宙加速膨胀的主要因素。自1998年,科学家通过观测遥远的Ia型超新星发现宇宙膨胀速度在加快以来,暗能量的概念逐渐被接受。
但暗能量的具体“身份”仍然是个谜。有人猜测它可能与宇宙学常数有关,宇宙学常数这一概念最早由爱因斯坦在1917年引入广义相对论方程中。
目的是为了支持他的静态宇宙模型,作为一种抵抗引力塌缩的假设。后来他自己都放弃了这个想法,直到暗能量的发现让这个概念再次受到关注。
这些问题虽然不像真空衰变一样有个既定的结论,但知道的越多越显得无知,却也远比坐井观天更能让我们去追寻更辽阔的真理。
参考资料:
网易公开课:摧毁宇宙最有效的方法-真空衰变中国科学院理论物理研究所:暗物质和暗能量专题自然—物理学:证实铁磁超流体中通过气泡形成的假真空衰变过程