宇宙会从亚稳态边缘坍缩吗?这背后的原理和希格斯玻色子有什么关系?
要开始理解这个问题,我们需要研究能量势,考虑物理学中的一个核心问题:一个系统总想最小化能量。比如原子结合成分子也是这个道理。通过结合在一起形成分子,原子的结合可以更加稳定。在物理学中,最小化系统的能量是理解事物如何工作的关键。
就像原子形成分子来降低系统的总能量一样,粒子也倾向于降低它们的势能。一个非常简单的势能图看起来像抛物线(如上图)。Y轴代表势能,X轴代表势能变化的参数,比如位置。在这个势能图中,我们可以找到最小势能的位置。如果我们放一个球进去,它会朝着最小势能方向下落。因为只有一个最小值,所以情况很简单,球会朝着这个最小值运动,最终停留在底部。
但是,如果有两个局部极小值,图表看起来会像上图。如果我们非常小心地把球放在更高的最小值,那么球就会卡在那里;我们也可以把球放在一个较低的最小值,它会留在那里。如果我们把球放在较高的最小值附近,它有一些额外的动能,如果能量足够大,球可以克服两个最小值之间的势垒,最终到达较低的最小值。所以球可以从较高的最小值滚到较低的最小值,或者从较高的能量状态滚到较低的能量状态。
一个试图最小化能量的物理系统总是寻求将能量降低到可能的最小值,但关键是为了做到这一点,它必须克服它们之间的势垒。但是如果没有足够的能量,粒子将无法穿越障碍,将被捕获在高能的最小值。
当量子力学进入这个领域时,它的工作方式有点不同。海森堡的测不准原理告诉我们,在量子力学中,我们无法准确知道粒子的位置和动量。这改变了势能的运算,因为现在我们必须考虑量子粒子的行为。
量子粒子不是球而是波,它的位置和动量是不确定的。如果我们看的是粒子处于较高最小值的情况,那么由于我们并不确切知道动量和位置,我们无法确定粒子是否会停留在那里或者克服势垒进入较低的最小值。由于这种不确定性,粒子不再处于稳定状态,而是处于亚稳态。在这种状态下,量子隧穿可以使其从较高的最小值逃逸到较低的最小值。
量子隧穿是量子力学概率性质的一个特征,简单的思路如下。在量子力学中,粒子的位置由波函数决定,波函数由薛定谔方程定义,波函数的平方给出了在任意位置找到粒子的概率。如果求解这个方程,我们会发现发现低能态粒子的概率是非零的。换句话说,它超越这个屏障的可能性是有限的,如果屏障外的能级更低,这个概率就会增加。
原来我们的宇宙不可能处于最低可能值,也就是说也可能是亚稳态。这一切都归结于一个粒子,著名的希格斯玻色子。这种粒子是最新的基本粒子,2012才被发现。
当组成我们宇宙的物质粒子与希格斯场相互作用时,它们会获得质量。没有希格斯玻色子,就不会有大质量的基本粒子。但请记住,没有希格斯玻色子,质子和中子仍然具有质量,因为它们的质量主要来自夸克胶子产生的结合能。然而,如果没有希格斯粒子,电子就没有质量,因为它们是基本粒子。如果电子没有质量,原子就会不稳定,因为没有质量的粒子如果以光速运行,就不能绕着原子核旋转。
希格斯玻色子的特殊之处在于,它在标准模型中具有非凡的潜力:它的最低潜力不在中心或零。这导致了希格斯机制,这反过来又给了我们一个弱介体。在这个机制中,希格斯场落入一个远离原点的极小值,从而得到一个非零的期望值。这个期望值就是希格斯场质量的原因,其他基本粒子也通过与希格斯场的相互作用获得质量。
希格斯势的行为是由希格斯玻色子的质量和最重基本粒子的顶夸克的质量在实验上决定的。目前,这些品质的最佳估计将标准模型置于亚稳态区域。换句话说,最新的研究表明,希格斯玻色子的势能可能有另一个低得多的能级,这意味着希格斯场不是目前最低的。
希格斯势似乎处于所谓的假真空状态,真正的真空状态是能量最低、最稳定的状态。宇宙的亚稳态给了我们一种虚假的稳定感,有某种能量屏障阻止我们进入更低的稳定态。生活在这样一个亚稳态宇宙中有两个大问题:一个是如果你创造了一个能量足够高的事件,理论上你可以克服障碍,将宇宙的一小部分从假真空推向真真空;另一个问题是,由于宇宙本质上是量子的,即使没有足够的能量来克服障碍,空间的一个区域也可能会隧穿能量障碍,从虚假真空到达真正的真空。
这将是致命的,因为我们今天看到的宇宙将会毁灭,所有的生命都将消失。模拟表明,这种转变首先会在小体积内局部发生,从而在空间形成一个小的真空泡。然后这个泡泡开始以光速膨胀,摧毁了一切阻挡它前进的东西。但是,我们不需要担心这个问题,亚稳态宇宙可能会有很长的寿命。
事实上,在2018年发表在《物理评论》杂志上的一篇论文中,研究人员计算出我们亚稳态宇宙的寿命范围是10到10?这比我们现在宇宙的年龄还要老几个数量级。