額外維度與真空衰變,可能會瞬間毀滅宇宙!

2021-01-15 宇宙探索


這可能是世界終結的方式。

首先,一對宇宙質子以難以想像的速度碰撞在一起。撞擊產生的巨大能量將產生一個微小的、短暫的黑洞,它非常小,只需幾分之一秒就會蒸發掉。

在黑洞剛剛出現的地方,一個與我們居住的宇宙完全不同的物理定律的空間泡泡將開始增長,以光速向外擴張。在它的尾跡中,原子將解體,而我們所知的宇宙將消失。

「如果你站在附近,當氣泡開始膨脹,你不會看到它來了。」位於羅利的北卡羅來納州立大學的物理學家凱蒂·麥克說。「如果它從下面向你襲來,你的腳在意識到之前就不存在了。」

只有當宇宙至少有一個額外的維度,在三個空間和一個時間之上,恐怖片段才能發生。

但這可能是世界終結的方式,至少現在還沒有。

9月13日,芝加哥洛約拉大學的麥克(Mack)和羅伯特·麥克尼斯(Robert McNees)在一篇論文中稱,宇宙沒有被蒸發的黑洞摧毀這一事實,對額外維度的大小(如果真的存在的話)施加了嚴格的限制。

科學家們還沒有找到額外維度的證據,這表明任何真實的維度都是微不足道的。但它們的存在可以幫助解釋像暗能量和暗物質這樣的神秘現象,並為超越粒子物理標準模型的新物理指明道路。因此,物理學家們迫切希望儘可能地探索它們的性質。


物理學家懷疑,即使是微小的額外維度也可能對宇宙產生影響。例如,引力可能會洩漏到這些額外的維度,也許可以解釋為什麼這種力看起來比其他基本力要弱得多。

這種洩漏還可能降低產生微型黑洞的門檻,在額外維度影響的微小距離上,引力似乎要強得多。麥克說:「如果你有這些額外的維度,你就不需要在沒有額外維度的情況下,在那麼小的空間裡得到那麼多的物質來製造一個黑洞。」

這就是為什麼有些人認為位於日內瓦附近CERN的大型強子對撞機在2008年啟動時可能會產生微小的黑洞,但到目前為止還沒有出現。

然而,大自然可以用更高的能量與粒子碰撞。最高的發現是在超高能量宇宙射線中,質子在能量超過80億電子伏特的星系之間拉鏈。這是大型強子對撞機產生的能量的1億倍。如果這些粒子之間的碰撞產生了任何黑洞,那麼物理學家可以計算出任何額外維度的引力範圍,或者在引力開始變得怪異之前你有多接近物體。

這種情況有其陰暗面。根據史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在20世紀70年代首次提出的理論,能量從黑洞輻射出去,直到黑洞最終消失。黑洞越小,蒸發的速度越快,所以任何由宇宙射線碰撞產生的黑洞幾乎都會在瞬間消失,至少理論上是這樣的。

這對宇宙來說可能是個壞消息。2015年,英國達勒姆大學(Durham University)的理論物理學家露絲·格雷戈裡(Ruth Gregory)和她的同事們用數學方法證明,當黑洞蒸發時,它們可以將宇宙推入一種物理定律截然不同、原子不再結合在一起的狀態。

「沒有結構可以存在。」麥克說,「我們會眼睜睜地看著自己消失。」

這場災難被稱為真空衰變。它依賴於這樣一種觀點,即宇宙的基本性質,即所謂的真空狀態,可能不是最穩定的。可能存在另一種物理定律的結構,真正的真空,處於較低的能量狀態。

格雷戈裡和她的同事們認為,蒸發的黑洞可以提供所需的撞擊,從而產生一個真正真空的氣泡。一旦有真正的真空存在,它周圍的空間就會想要加入真正的真空。氣泡會以光速向外擴張,並帶走已知的宇宙。


「黑洞很淘氣,」格雷戈裡說。「他們真的想播種真空衰變。這是一個非常強大的過程,如果它能繼續下去的話。」

麥克和麥克尼斯意識到,這一套想法導致了一個悖論。麥克尼斯說,超高能量宇宙射線之間的碰撞「應該發生數千次」。如果存在額外的維度,如果它們足夠大到足以產生超高能宇宙射線形成迷你黑洞,那麼真空衰變就應該已經發生了。事實上,我們在這裡想知道它意味著額外的維度,如果他們存在,必須比以前認為的更小。

麥克和麥克尼斯計算出,任何額外的尺寸都必須小於大約16納米,即一米的十億分之一。換句話說,額外維度的引力影響只會延伸到那個程度。這比以前最好的估計要小几百倍,並且排除了一些讓引力洩漏到額外維度的理論。

英國紐卡斯爾大學的宇宙學家伊恩·莫斯(Ian Moss)說,這個分析既有趣又透徹。但是他擔心麥克和麥克尼斯對於什麼條件會導致真空衰變做了太多的假設。「你不能真的說這些限制是完全令人信服的,」他說。「沒什麼不對的,但是有太多如果。」



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