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太空真空衰变的速度比预期的要早(但仍然不会很快)

2024-08-05科学

真空衰变,一个可能终结我们所知道的宇宙的过程,可能比预期的早10,000倍发生。幸运的是,它仍然不会在非常非常长的时间内发生。

当物理学家谈到「 真空 」时,这个词听起来好像指的是空的空间,从某种意义上说,它确实如此。更具体地说,它指的是一组默认值,例如控制板上的设置。当渗透到空间中的量子场位于这些默认值时,您将认为空间是空的。对设置进行小的调整会产生粒子——将电磁场调高一点,你就会得到一个光子。另一方面,大的调整最好被认为是完全新的违约。他们创造了不同的空白空间定义,具有不同的特征。

一个量子场很特殊,因为它的默认值可能会改变。它被称为希格斯场,控制着许多基本粒子的质量,如电子和夸克。与物理学家发现的所有其他量子场不同,希格斯场的默认值高于零。调高或调低希格斯场值将增加或减少电子和其他粒子的质量。如果希格斯场的设置为零,则这些粒子将是无质量的。

如果不是量子力学,我们可以永远保持在非零默认值。量子场可以「 隧穿 」,即使它没有足够的能量通过高能量的中间设置,也可以跳到一个新的、低能量的值,这种效果类似于穿过一堵坚固的墙。

要做到这一点,你需要有一个低能量的状态来隧道化。在建造大型强子对撞机之前,物理学家认为希格斯场的当前状态可能是最低的。这种信念现在已经改变了。

人们一直都知道,代表希格斯场不同设置所需能量的曲线类似于帽檐上翘的 sombrero。希格斯场的当前设置可以被描绘成一个球停在帽檐底部。

然而,微妙的量子校正可以改变曲线的形状。量子场在彼此之间来回传递能量。例如,电子和电磁场之间的量子相互作用改变了原子的能级——这是在1940年代发现的效应。

对于希格斯场,黑帽边缘的曲率由希格斯玻色子的质量决定,希格斯玻色子是传达希格斯场效应的基本粒子,它是在2012年的大型强子对撞机上发现的。对曲线形状的进一步修正来自与希格斯粒子强烈相互作用的粒子:那些质量高的粒子,如顶夸克,这是已知最重的基本粒子。通过比较希格斯玻色子的质量与顶夸克的质量,物理学家现在认为黑褐色最有可能再次下降。在希格斯场的更高设置下,存在较低能量的状态。

在这种情况下,希格斯场最终应该会隧道化到那种状态,或者说是「衰变」。这种衰变将从一个地方开始,然后扩散,一个球形气泡以光速增长,改变宇宙。基本粒子会变得更重,因此它们被重力吸引在一起的力比将它们分开的其他力更强烈。原子会坍缩。

不过,我们不会在短期内达到更高的希格斯设置。物理学家以不同的方式估计真空衰变的可能性。 在最直接的方法中 ,他们记录了将场从一个值转换为另一个值所必需的不同变换——违反能量守恒的变换,量子力学允许这种情况短暂发生——根据它违反能量守恒等规则的程度对每种情况进行加权。根据这些估计,每 10 立方千兆秒差距的空间将看到一次真空衰变 794 年,或数字 1 后跟 794 个零——一个荒谬的时间跨度。只有 10 个 10 自宇宙大爆炸以来,已经过去了很多年。

最近,斯洛文尼亚的一群物理学家 声称 在计算中发现了一个小错误,这个错误使我们所知的宇宙末日加速到10 790 年,而不是 10 年 794 .虽然 10,000 倍的变化可能看起来很大,但它比计算的其他部分的不确定性要小得多。最重要的是:这些不确定性都不足以打破我们与真空衰变的恐怖之间的亿万年。