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太空真空衰變的速度比預期的要早(但仍然不會很快)

2024-08-05科學

真空衰變,一個可能終結我們所知道的宇宙的過程,可能比預期的早10,000倍發生。幸運的是,它仍然不會在非常非常長的時間內發生。

當物理學家談到「 真空 」時,這個詞聽起來好像指的是空的空間,從某種意義上說,它確實如此。更具體地說,它指的是一組預設值,例如控制板上的設定。當滲透到空間中的量子場位於這些預設值時,您將認為空間是空的。對設定進行小的調整會產生粒子——將電磁場調高一點,你就會得到一個光子。另一方面,大的調整最好被認為是完全新的違約。他們創造了不同的空白空間定義,具有不同的特征。

一個量子場很特殊,因為它的預設值可能會改變。它被稱為希格斯場,控制著許多基本粒子的品質,如電子和誇克。與物理學家發現的所有其他量子場不同,希格斯場的預設值高於零。調高或調低希格斯場值將增加或減少電子和其他粒子的品質。如果希格斯場的設定為零,則這些粒子將是無品質的。

如果不是量子力學,我們可以永遠保持在非零預設值。量子場可以「 穿隧 」,即使它沒有足夠的能量透過高能量的中間設定,也可以跳到一個新的、低能量的值,這種效果類似於穿過一堵堅固的墻。

要做到這一點,你需要有一個低能量的狀態來隧道化。在建造大型強子對撞機之前,物理學家認為希格斯場的當前狀態可能是最低的。這種信念現在已經改變了。

人們一直都知道,代表希格斯場不同設定所需能量的曲線類似於帽檐上翹的 sombrero。希格斯場的當前設定可以被描繪成一個球停在帽檐底部。

然而,微妙的量子校正可以改變曲線的形狀。量子場在彼此之間來回傳遞能量。例如,電子和電磁場之間的量子交互作用改變了原子的能階——這是在1940年代發現的效應。

對於希格斯場,黑帽邊緣的曲率由希格斯玻色子的品質決定,希格斯玻色子是傳達希格斯場效應的基本粒子,它是在2012年的大型強子對撞機上發現的。對曲線形狀的進一步修正來自與希格斯粒子強烈交互作用的粒子:那些品質高的粒子,如頂誇克,這是已知最重的基本粒子。透過比較希格斯玻色子的品質與頂誇克的品質,物理學家現在認為黑褐色最有可能再次下降。在希格斯場的更高設定下,存在較低能量的狀態。

在這種情況下,希格斯場最終應該會隧道化到那種狀態,或者說是「衰變」。這種衰變將從一個地方開始,然後擴散,一個球形氣泡以光速增長,改變宇宙。基本粒子會變得更重,因此它們被重力吸引在一起的力比將它們分開的其他力更強烈。原子會塌縮。

不過,我們不會在短期內達到更高的希格斯設定。物理學家以不同的方式估計真空衰變的可能性。 在最直接的方法中 ,他們記錄了將場從一個值轉換為另一個值所必需的不同變換——違反能量守恒的變換,量子力學允許這種情況短暫發生——根據它違反能量守恒等規則的程度對每種情況進行加權。根據這些估計,每 10 立方千兆秒差距的空間將看到一次真空衰變 794 年,或數位 1 後跟 794 個零——一個荒謬的時間跨度。只有 10 個 10 自宇宙大霹靂以來,已經過去了很多年。

最近,斯洛維尼亞的一群物理學家 聲稱 在計算中發現了一個小錯誤,這個錯誤使我們所知的宇宙末日加速到10 790 年,而不是 10 年 794 .雖然 10,000 倍的變化可能看起來很大,但它比計算的其他部份的不確定性要小得多。最重要的是:這些不確定性都不足以打破我們與真空衰變的恐怖之間的億萬年。