真空衰變:魔鬼的釋放

2021-01-15 回到2049

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在昨天的節目中,我們介紹了何為真空衰變,簡單總結一下,我們現在的真空並非處於最低能量態,但它有著向最低能量態轉變的趨勢,這種轉變就是真空衰變,一旦發生真空衰變,我們的整個世界將灰飛煙滅。而之所以現在的真空還保持著穩定,是因為在目前的能量態與最低能量態之間存在著一個能量山峰,要想跨越這道能量壁壘,需要極高的能量,幸運的是,無論是大型加速器中質子對撞產生的能量,還是宇宙射線,目前都沒有使得真空跨越能量壁壘而進入到更低的能量態中,所以我們依舊安然無恙。但理論認為,藉助於量子力學的隧穿效應,即使無法直接跨越能量山峰,也有可能引發真空衰變。那麼一旦發生真空衰變,接下來會怎樣呢?抑或者宇宙中的某處空間是否已經發生了真空衰變,我們有可能提前觀察到嗎?雖然無法阻止這一切的發生,至少我們留有時間相互道別。


目前的理論認為,當宇宙的某個地方因隧穿效應發生真空衰變時,以此為中心會產生一個真真空小泡,這個真真空小泡將加速膨脹,最終幾乎以光速擴展。如果它距離我們足夠遠的話,那麼由於宇宙空間的膨脹,它或許永遠波及不到我們,但如果在合適的距離範圍之內,我們的世界也將在劫難逃。那麼如果真的存在一個真真空小泡,我們在地球上可以觀察到嗎?


可惜的是,現階段我們根本無法想像發生真空衰變的區域,到底會遵循著怎樣的物理定律,但可以肯定的是,其所遵循的物理定律必然與今天的宇宙完全不同,如此一來,我們或許根本無法觀察發生真空衰變的區域。


不過話雖如此,研究認為,發生真空衰變的區域與未發生真空衰變區域的交界處,將會擁有著非常高的能量。於是科學家推測,宇宙空間中的塵氣微粒,也許會在不經意間飛濺到擁有著極高能量的牆壁之上並閃閃發光。所以,放眼整個宇宙,如果存在一處擴展速度接近光速,並且散發著神秘光芒的區域的話,那麼說不定這就是真真空存在的預兆。


前面我們說了,如果出現真空衰變的話,我們目前是沒有能力來阻止的,所能做的唯有祈禱,但其實我們也不用過於擔憂。確實,當真空衰變開始膨脹之時,我們避無可避,但即使由於隧穿效應而出現了真真空小泡,有時候這個小泡可能也並不會膨脹,而是會很快消失,也就是說,或許在這個宇宙中,真空衰變隨時都在發生,只不過它們都被扼殺在了搖籃之中。


我們知道,真空衰變是指真空狀態變為比現在更低的能量態的現象,儘管發生真空衰變的區域,其能量確實很低,但在不同真空的交界區域,卻擁有著非常高的能量。所以,如果最先因隧穿效應而發生真空衰變的區域過小的話,那麼這個小泡的比表面積就會很大,也就是相對於真真空區域的體積來說,其交界處的面積所佔的比例非常大,在這樣的情況下,由於出現真空界面而增加的能量,有時候就會大於因真空衰變而減少的能量。如此一來,與其維持著真空衰變的區域,倒不如退回原有的真空更為划算,這樣的總能量要更少,從而保持整體處在低能量狀態,所以真真空小泡會消失。目前的研究認為,要使得出現的真真空小泡可以不斷擴大,基本的條件就是形成真空衰變的區域的尺寸要足夠大才行,在這樣的情形下,比表面積足夠小,因真空衰變而減少的能量就會大於出現真空界面而增加的能量,真空小泡就得以不斷膨脹下去。


那麼這個真空小泡至少要多大才可以呢?目前的觀點是,至少要達到質子體積的100億分之一,質子的半徑只有1毫米的1萬億分之一左右,可見,要想形成一個不斷擴大的真空衰變區域,並不需要特別大。萬幸的是,基於基本粒子物理學理論的計算表明,在可觀測宇宙的範圍之內,產生這樣一個大小的真真空小泡,並將整個宇宙吞噬機率,大約為10的554次方年才發生一次,儘管可能存在著好幾個數量級的誤差,但鑑於宇宙的年齡目前只有138億年,所以,我們的世界應該不會很快被真真空小泡所吞噬。


當然了,需要清醒的是,目前的粒子物理標準模型,或許並不能解釋宇宙中的所有現象,也就是說,在未來創建超越標準模型的新的粒子物理學理論的過程中,10的554次方年一遇的這一機率,也可能會發生很大的變動。


除此之外,還有一點也可能導致我們的預估存在很大偏差,這就是黑洞的影響。黑洞是什麼就不用多說了,由於極其強大的引力,黑洞周圍的空間被極度扭曲,而研究認為,彎曲的空間要比平坦的空間更容易發生真空衰變,這就好比是水中的氣泡,彎曲、有拐角或變形的地方,顯然要比光滑的地方更容易留住氣泡,所以,黑洞周圍可能是一個十分容易發生真空衰變的區域。當然了,由於發生真空衰變形成真真空小泡的區域十分之小,所以恆星黑洞或更大的超大質量黑洞周圍,可能並不是真空衰變形成的理想之所,畢竟它們無法對空間進行如此精細化的操作。但是有一種黑洞顯然是可以的,這就是形成於宇宙誕生之初的微型黑洞,一種觀點認為,以原初微型黑洞為中心,會生成中心與黑洞一致的真真空小泡,而在黑洞因霍金輻射而蒸發之前,真空衰變可能就已經迅速擴散到了整個宇宙。也就是說,我們的宇宙已經發生過了真空衰變,今天的世界正是無數次真空衰變,或無數個真空衰變相互疊加後產物。


當然了,原初微型黑洞是否存在,目前還有很大的疑問,而就算存在原初微型黑洞,我們現在也無法知曉它們有多少,以及以微型黑洞為中心的真空衰變會以怎樣的速率吞噬宇宙,甚至微型黑洞是否一定會引發真空衰變,目前也只是猜測。既然不知道,那就不知道吧,正所謂我不想知道我是怎麼來的,我就想知道我是怎麼沒的。那麼如果真的發生真空衰變,這個世界究竟會變成什麼樣呢?關於真空衰變,我們還有哪些疑問?請看下集《真空衰變:無盡的追問》。

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