上帝粒子——為什麼虛假的真空會成為我們的終結?

2020-12-03 老胡說科學

一個膨脹的勢能氣泡可能意味著我們所知道的所有物理定律的終結。在希格斯玻色子被發現之前,它就已經被稱為「上帝粒子」。這是因為標準粒子物理模型的進展也向我們發出了希格斯場的存在的信號——希格斯場是一種看不見的物質,但卻遍布整個空間。即使是現在,我們仍然居住在它的周圍,被賦予粒子質量的非零能量包圍著。光子、電子、夸克和所有其他構成我們這個世界的基本粒子的質量都來自它們與希格斯場的相互作用。當粒子穿過磁場時,它所面臨的阻力越大,它的質量就越大。例如,中微子在希格斯場中的移動比輕子更容易,因此它的質量小於輕子。粒子的質量是決定我們的物理定律的一個重要因素。它決定了一切如何相互作用,以及在寒冷、黑暗的廣闊空間中會發生什麼化學反應。

因此,我們似乎應該感謝希格斯玻色子擁有它所擁有的特性。它的質量允許生命存在——我們的生命,恆星的生命,以及銀河系的生命。玻色子質量的任何變化都可能意味著原子會縮小或原子核會溶解,使氫成為唯一滲透空間的元素。但正是這個數字讓我們處於危險的境地。它不僅引發了物理學史上最大的災難之一,它還告訴我們,我們所認為的穩定而持久的宇宙可能會在任何時候消失。不到一秒就消失了。而且,我們也無力阻止它。

希格斯玻色子的質量。在真空的預測能量和實際測量能量之間的巨大差異引起了災難。宇宙中的一切都想要穩定。它必須從高能態轉移到所謂的「基態」,在基態中它的能量可能是最少的。任何有大量能量的物體都想要釋放能量以變得穩定。前面提到的基本粒子是在量子場中有激發態時產生的。當量子場處於可能的最低能量時,它們就處於真空狀態。如果空間中的所有量子場都處於真空狀態,宇宙就是穩定的。基本粒子保持著它們相同的性質。儘管測量量子場中的能量和真空狀態是一個相當複雜的過程,但科學家們相信大多數場都處於穩定的真空狀態。

而希格斯場被認為處於亞穩態,這意味著雖然它目前沒有發生任何變化,但它也不會處於最低能量水平。這是一個有很多勢能的假真空。我們所知道的一切都已成為現實的威脅。

歐洲核子研究中心的科學家發現了該磁場的第二種可能狀態,他們將其命名為超密度希格斯場。它的密度肯定會比現在大數十億倍。即使只是空間中的一點坍縮到這個較低的能量水平,它也會觸發真空衰變在各處的擴散,從而產生一個真正穩定的真空破壞性球體來吞噬整個宇宙。我們甚至不能看到我們的終點,因為它將以光速移動。空間將釋放它的勢能,把球體內的一切都拋入新的和不可識別的物理定律中。一個如此奇怪的世界將會出現,我們甚至無法想像。

在大爆炸後,宇宙經歷了相變,空間充滿一種物質被稱為希格斯場。這兩種狀態之間有一道能量屏障,保護著我們的安全。事實上,引起相變需要大量的能量,這也是為什麼一些物理學家不認為真空衰變是一個很大威脅的部分原因。但是還有另一種方式可以使這種轉變發生,這種方式已經在一些系統中觀察到了。這就是所謂的量子隧道效應,當涉及到智慧型手機和計算機等熟悉的技術時,這是一個問題。這些電子設備依賴存儲在晶片中的電晶體。多年來,電晶體變得越來越小,它們之間的間距也越來越小。足夠薄的電晶體勢壘(大約1納米左右)會受到量子隧穿的影響,即使電晶體處於關閉狀態,電子也可以穿過勢壘。

量子隧穿的可能性有多大?這是罕見的景象。雖然它會發生,但是要等到大約10^100年後,即使這樣,只有我們的標準模型是正確的,這個預測才成立。如果宇宙的某些部分已經開始衰變並膨脹成球體,那麼由於宇宙的膨脹,它們可能永遠也不會到達我們(或者需要幾十億年才能到達)。甚至有一種理論認為,真空衰變已經發生,而我們當前的現實是希格斯場的真正穩定狀態。

動畫顯示了一個電子穿過勢壘的隧穿過程。2012年夏天是大型強子對撞機的美好夏天。探測器通過觀察質子之間的粒子碰撞,在沉降的碎片中發現了上帝粒子。在所有可以測量的數字中,希格斯玻色子正好位於我們處於如此關鍵和不確定的位置的正確數量。它告訴我們,我們的理論與觀察之間存在差異,我們對現實的知覺處理可能僅僅是-一種知覺。也許這個名字很合適。如果希格斯玻色子真的會在將來的某個時刻推翻一切存在,那麼它像任何神一樣,在世界上確實擁有非常神聖的地位。

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