宇宙的最終命運——黑洞蒸發引發真空衰變

2020-12-03 老胡說科學

大型強子對撞機的一個意外發現是,希格斯玻色子比預期的要重一些,這對我們真空的結構產生了影響。希格斯場填補了真空,賦予粒子質量,而這個充滿希格斯粒子的真空被認為是希格斯粒子勢的穩定的最小值。如果希格斯玻色子足夠重,這就是目前的數據所顯示的,那麼在能量低於現在的真空的情況下,勢能會有另一個最小值。這意味著,今天圍繞著我們的真空是一個「虛假的真空」,它只是亞穩態的,不是完美的,而是永遠穩定的。我們的虛假真空最終會衰變為較低的能量狀態,也就是所謂的「真正的真空」,當這種衰變發生時,它將釋放出大量的能量,並撕裂所有當前綁定在一起的物質粒子。

我們可能生活在一個虛假的真空中,它只是暫時穩定,最終會通過量子隧穿作用衰變為真正的真空。在應該被稱為世界末日的一系列事件中,「真空衰變」緊隨「大崩潰」之後。

從測量到的希格斯粒子質量和其他決定勢的參數中,我們可以計算出真空衰變需要多長時間。虛假的真空通過局部的隧道進入真實的真空而衰減,首先產生一個氣泡,然後迅速膨脹並佔據整個宇宙。當希格斯玻色子的對稱性被打破時,一些非常相似的事情發生了,可能導致在我們的宇宙中物質對反物質的支配。

從我們現在的宇宙來看,隧穿發生的時間取決於我們目前所處的真真空和假真空之間的勢壁高度。據估計,就我們目前所知的衰變時間而言,它至少要比目前宇宙的年齡長几個數量級。因此,即使真空最終會消失,這也會在恆星耗盡燃料、宇宙中的生命變得不可能存在之後很久才會發生。

至少我們是這麼認為的。

一篇論文討論了真空亞穩定性與黑洞,一群英國和加拿大的研究人員指出,這對真空衰變率估計沒有考慮到引力場可以作為真空衰變的種子,從而大大增加了真空的不穩定性。在論文中,他們計算了在黑洞附近通過隧道進入真實真空的概率,他們發現在沒有黑洞的情況下,相對於隧道通過的概率,這個概率被極大地放大了。利用與現有數據相一致的希格斯勢的一些參數,他們估計衰變時間大致相當於黑洞通過霍金輻射衰變所需要的時間。

在黑洞附近發生的主要隧穿過程取決於黑洞的質量。大黑洞在視界上的曲率很小,所以隧道的概率很小,霍金的溫度也很低。當黑洞由於蒸發而失去質量時,溫度升高,隧穿概率也隨之增大。在大質量時,最可能的狀態是假真空隧道是一個真正的真空,裡面有一個質量較小的黑洞。如果黑洞的質量足夠小,那麼最有可能的隧道過程的最終狀態就是一個真正的真空泡。不管怎樣,真正的真空將開始迅速擴大。

也就是說,在真空衰減率大於霍金輻射率的地方,當黑洞接近完全蒸發時,真空會在黑洞邊緣變得不穩定,並以難以置信的速度向外膨脹。這就是災難的開始。

黑洞需要多長時間才能蒸發到足夠小,從而引發真空衰變?這取決於黑洞的初始質量。黑洞越大,所需時間越長。我們觀測到的所有黑洞——太陽質量的黑洞和超大質量的黑洞——都非常重,它們現在根本不會蒸發,因為它們的溫度低於宇宙微波背景的溫度。它們不是失去質量,而是增長。

我們目前所知道的所有黑洞都是通過增加質量而不是蒸發和收縮來成長的。然而,據推測,小黑洞可能是在非常早期的宇宙中由大的密度波動形成的。這些黑洞被稱為「原始」黑洞,今天可能有幾乎任何質量。如果它們在附近,有些可能已經蒸發了或者現在就蒸發了。籤名對於這些黑洞蒸發事件尋找,但一直沒見過,雖然一直在猜測,有些短周期γ-ray破裂可能來源於這樣的事件。

如果這篇論文中的計算是正確的,我們現在可以得出這樣的結論:在我們的宇宙中,任何地方都不可能有完全蒸發的黑洞,否則我們就不會在這裡了。然而,由於我們不知道原始黑洞質量的分布,它們中的一些可能隨時存在並進入蒸發的最後階段,這意味著我們所知道的世界末日。

聽起來很糟糕,我知道。所以為了幫助你睡得更好,這裡有一些細則。

首先,雖然沒有嚴格地排除原始黑洞的可能性,但大多數宇宙學家都認為它是高度推測性的。原因在於,很難找到一種生產這些模式,這種模式最終不會產生太多的此類產品。你不僅要創造一個原始的黑洞,還要與我們已經觀察到的宇宙保持一致。為了形成一個宇宙,需要宇宙誕生時的密度波動比平均密度大68%,而我們觀察到的原始波動比平均密度大0.003%。更重要的是,希格斯勢的參數進入真空衰變率是基於一個假設,即標準模型是一個完整的理論,直到量子引力變得相關的尺度。但這種情況很值得懷疑。事實上,人們普遍認為情況並非如此。

哦,對了,那大型強子對撞機上那些本該在2008年吞噬地球的小黑洞呢?絕對沒有跡象表明LHC已經製造出了哪怕一個這樣的粒子,在這一點上,這個想法似乎不太可能是正確的,但嚴格地說,這也沒有被排除。這些大型強子對撞機黑洞是否也會播下真空衰變的種子?

大型強子對撞機的隧道。據推測,大型強子對撞機可能會產生微小的黑洞,但目前還沒有發現。不僅因為這些大型強子對撞機黑洞將是高維的,而且因為真空將是高維的,因此整個理論是非常不同的。即使迷你黑洞是在大型強子對撞機上產生的,它也不太可能是有害的,原因和之前所提到的一樣:大型強子對撞機在一個能量系統中運行,在這個系統中天體物理碰撞一直在發生。它不會創造出宇宙歷史上前所未有的事件。

所以這個結果並沒有讓我擔心世界末日,相反,我認為它是一種獲取標準模型中參數知識的新方法。文只是對一些有代表性的數值進行了計算並給出了結果,但是接下來的工作將會對參數空間進行更完整的掃描。這有可能發展成為宇宙學、天體物理學和我們可以在地球上進行的對撞機實驗之間富有成果的聯繫。

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