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研究发现真空衰变比预期快一万倍

物理学家认为,希格斯场衰变将从某处开始,随后向外扩散,形成一个以光速膨胀的球形泡泡,从而改变整个宇宙。此为概念图。(Shutterstock)

【新唐人北京时间2024年08月28日讯】宇宙空间中充满了一种特殊量子场,研究发现其某些参数的数值注定将会发生变化,这将彻底改变宇宙中的一切。

真空衰变,这个可能将我们所熟知的宇宙带向终结的过程,比原先所预期发生的时间要提早10,000倍。不过,幸运的是,科学家认为这个过程仍然需要非常非常长的时间才会发生。

当物理学家提到“真空”时,这个词似乎指的是空无一物的空间,从某种程度上这是对的。但更精确地说,真空指的是空间的一系列预设值,就像控制面板上的设置。当遍布空间的量子场处于这些预设值时,物理学家就认为空间是虚无的。对这些预设值进行微调可以产生粒子——例如将电磁场稍微调高,就可以产生光子。而大幅度的调整则可以被视为全新的预设值,它们会创造出一个有着不同特性的、全新的宇宙真空。

何为希格斯场

希格斯场是一个其预设值可以发生变化的特殊量子场。它负责控制许多基本粒子的质量,例如电子和夸克。与物理学家所发现的其它量子场不同,希格斯场的预设值是高于零的。调整希格斯场的数值,无论是向上或向下,都会相应地增加或减少电子及其它粒子的质量。如果希格斯场的设定值为零,这些粒子将会变得无质量。

如果没有量子力学的介入,我们可能会永远处于这个非零的预设状态。但量子场能够进行“量子隧穿”,即使在能量不足以跨越更高能阶的情况下,也能跳跃至一个新的、能量更低的状态,这个过程就像是凭空穿透一堵厚墙。

然而,这种跳跃只有在存在一个能量更低的状态时才可能发生。在建造大型强子对撞机之前,物理学家们曾认为希格斯场当前的状态可能是能量最低的。但这个观点现在已经有了新的变化。

希格斯场在不同设定下所需能量的曲线,形似一顶边缘翘起的墨西哥帽。目前希格斯场的状态,可以想像为一颗球静止在帽檐的最低点。

然而,量子的微小修正可能会改变这个曲线的形状。量子场彼此之间会交换能量,举例来说,电子与电磁场的量子交互作用会改变原子的能级——这是1940年代物理学家所发现的现象。

对于希格斯场而言,墨西哥帽帽檐的弯曲程度由希格斯玻色子的质量决定,这是一种传递希格斯场效应的基本粒子,于2012年在大型强子对撞机上被发现。曲线形状的进一步修正来自于与希格斯有强烈交互作用的粒子,如质量较大的顶夸克——已知最重的基本粒子。透过对比希格斯玻色子与顶夸克的质量,物理学家目前认为,墨西哥帽的形状很可能再次下降。在希格斯场更高的设定下,存在一个能量更低的状态。

真空衰变加快

在这种情况下,希格斯场最终将隧穿至该状态,或称为“衰变”。这种衰变将从某处开始,随后向外扩散,形成一个以光速膨胀的球形泡泡,从而改变整个宇宙。基本粒子将变得更加沉重,以至于它们将被重力更强烈地吸引,超越其它力量对它们起到的分离作用。原子将会崩塌。

然而,我们不会在短期内隧穿至更高的希格斯设定。物理学家用不同的方法来估计真空衰变的概率。在最直接的方法中,他们会计算从一个数值转换到另一个数值所需的各种转换——这些转换违反了能量守恒的原则,但量子力学允许这些转换短暂发生——并根据每种情境对能量守恒等规则的违反程度进行权重计算。

根据这些估算,一立方十亿秒差距(cubic gigaparsec)的空间大约每10???年会发生一次真空衰变,也就是数字1后面跟着794个零——这是一个难以想像的漫长时间。目前的宇宙学理论认为,自宇宙大爆炸以来,仅仅过去了大约101?年。

最近,斯洛文尼亚的一组物理学家将他们的新研究于6月24日提交给论文预印网“arxiv: High Energy Physics Phenomenology”。论文声称他们在计算中发现了之前理论的一个小错误,更正这个错误后,宇宙终结的时间从10???年提前到10???年。尽管这个变化达到了10,000倍,但相较于计算中其它部分的不确定性,这个数字实际上微不足道。不过,最关键的是,这些不确定性都不足以让我们提前面对真空衰变所带来的宇宙灾难。

(转自大纪元/责任编辑:叶萍)

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