宇宙是否處於偽真空狀態?

2020-12-03 騰訊網

眾所周知,目前公認的宇宙年齡大約為137億年,而可觀測的宇宙直徑大概為930億光年。宇宙這麼大,它的大部分空間都是真空的,連一點灰塵顆粒都沒有。但是,科學家提出了這樣一個想法:宇宙可能處於偽真空狀態,它會發生真空衰變,產生最終的宇宙災難。

偽真空的概念

事實上,偽真空是量子場論中的一個概念。它認為,我們現在的宇宙的真空並不是處於最低能量狀態,可能還存在更低的能量狀態,稱為真真空狀態。並且它還認為,我們的宇宙遲早要從偽真空狀態躍遷到真真空狀態,這個過程稱為真空衰變,它會釋放出大量的能量並摧毀整個宇宙。宇宙終結的方法有很多,大撕裂、熱寂、大收縮等方法。但是,在這麼多方法當中,霍金最喜歡的是真空衰變,因為這是一種快速、有效的方法。

從宇宙大爆炸到現在已經過了137億年的時間,一般認為現在的宇宙已經處於能量較低的狀態了。但是,目前理論上還是無法排除偽真空的狀態。偽真空具有有限的壽命,它可能比宇宙年齡更長,因此目前我們還無法探測到真空衰變的證據。

如何驗證偽真空

要想驗證目前宇宙是不是處於偽真空狀態,我們可以通過「上帝粒子」希格斯粒子和上夸克的質量來判斷。粒子的標準模型是基於對稱性的概念,但這卻帶來了一個問題:對稱性解釋了電弱力的存在,但是它也不允許攜帶電弱力的粒子具有質量。

這個問題困擾了科學家很多年,直到希格斯提出了新機制。新機制引入了一個量子場,在今天我們稱之為希格斯量子場,其表現形式希格斯玻色子,只有與希格斯場相互作用的粒子才能獲得質量。雖然這在數學上解決了難題,但是要找到希格斯粒子相當困難。

要找到希格斯粒子,必須在大型強子對撞機使高能粒子碰撞。但是,在很長的時間內,他們都不知道這個能量範圍是多少,科學家一直在黑暗中摸索。在2012年,歐洲大型強子對撞機通過碰撞兩個高能質子,終於發現了希格斯粒子的存在。

數據顯示,希格斯粒子的質量125.3±0.5 GeV或126.0±0.4 GeV,它的真空穩定性剛好處於穩定性和亞穩定性的分界線。因此,從它身上還是很難判斷出來我們宇宙的真空是否是偽真空。因此,目前我們只能依賴上夸克的結果。但是,想要準確求出上夸克質量,必須依賴更新一代的對撞機。

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