作者段跃初

在浩瀚宇宙的神秘面纱下，隐藏着诸多令人敬畏的力量。小行星撞击、超新星爆发、黑洞能量喷射等极端事件，每一个都足以在宇宙中掀起惊涛骇浪，给地球和生命带来巨大威胁。然而，有一种几乎不为人知的现象——真空衰变，一旦发生，其破坏力远超上述灾难，堪称宇宙中最可怕的自然灾难。

大多数人从未听说过真空衰变，它的可怕之处在于，这一灾难源于希格斯场的变化。希格斯场是一种遍布整个宇宙空间的量子场，其变化将引发一系列毁灭性连锁反应。真空衰变由纯粹的偶然因素触发，一旦发生，会产生一个以接近光速膨胀的“量子泡沫”，所到之处，我们习以为常的物理定律将被彻底颠覆，使我们认知中的物质无法存在，生命也将随之消亡。

幸运的是，根据物理学家目前最精准的估算，真空衰变发生的概率极低，在我们所处的宇宙区域附近发生并影响到人类的可能性更是微乎其微。不过，这个概率毕竟不为零，且一些最新估算显示，其发生的可能性或许比我们过去认为的要稍高一些。尽管如此，大家也不必为此忧心忡忡、辗转难眠。科学家们对真空衰变现象展开深入研究，目的不仅在于揭示量子世界中某些奇妙的特性，更希望借此探索物理学中那些尚未破解的最深奥难题。

在物理学中，“真空”并非我们通常理解的绝对空无一物。我们熟悉的所有物体，从动物、植物到矿物，都由原子构成，而原子又是量子场中的涟漪。每个量子场就如同宇宙控制面板上的一个设置开关，例如拨动电子开关，电子就会出现。多数量子场的默认值为零，意味着电子在大多数空间出现的概率较低，而且这些默认状态具有稳定性，要改变其状态需要消耗能量，所需能量大小遵循爱因斯坦著名的质能方程E = mc²，即粒子质量越大，改变其量子场默认状态所需的能量就越多。

希格斯场是个例外，它的默认值并非零。1964年，包括英国物理学家彼得·希格斯在内的几位科学家提出了这一量子场，并以希格斯的名字命名。试图将希格斯场设置为零，它会产生抗拒，宇宙“倾向”于维持一定的希格斯场强度，这个默认值被称为真空期望值，也就是我们在真空中实际观测到的希格斯场数值。

改变希格斯场的默认状态极为困难。直到2012年，日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC）实验才首次成功测量到希格斯场极其微小且短暂的变化。如同拨动电子开关产生电子一样，拨动希格斯场开关会产生希格斯玻色子。但这些粒子在产生后会迅速消失，希格斯场开关又会回到默认状态，同时引发其他更容易改变状态的量子场开关变化，产生电子、光子等粒子。LHC的科学家们通过大量实验，最终确凿地探测到希格斯玻色子，证实了希格斯场的存在。

希格斯场的特殊性在于它控制着所有其他粒子的质量，相当于一个“总开关”，决定着其他量子场开关的稳定性。如果降低希格斯场的值，产生电子或夸克所需的能量就会减少。物理学家将改变希格斯场默认值的过程，类比为将巨石推上山坡。若巨石位于山谷底部，推上去后一旦松手，它就会滚回原处。为使希格斯理论成立，希格斯场需处于类似山谷底部的稳定状态，但该理论并未详细阐述山谷之外的情况。

自20世纪70年代起，物理学家就推测，可能存在另一个更低的“山谷”，对应着更高的希格斯场设置值。若此推测成立，那么我们当前宇宙中的希格斯场状态只是一个“假真空”，即暂时的、并非希格斯场自然倾向的状态，而那个更高设置值的状态才是“真真空”。在真真空状态下，希格斯场更强，会使电子等基本粒子质量大幅增加，难以产生，从而打破维持原子存在的平衡。

虽然从假真空转变到真真空看似几乎不可能，因为需要将“巨石”推上更高的山坡，但量子物理学中的量子隧穿效应让不可能成为可能。即使量子场没有足够能量翻越中间的“山坡”，也能通过量子隧穿效应随机从高能量状态跃迁到低能量状态。一旦希格斯场发生这种情况，假真空将终结，真真空出现。

目前，物理学家尚不完全确定真空衰变发生时会出现何种情形。据推测，它可能始于一个小区域，形成一个气泡，气泡内希格斯场处于更高设置值，所有粒子质量大幅增加。若气泡较小，它会因类似水滴表面张力的力迅速消失；若气泡足够大，其内部与外部巨大的能量差将促使它开始膨胀，并在真空中以光速扩张，改变整个宇宙的希格斯场设置。在希格斯玻色子被发现之前，这一切都只是理论推测，因为当时科学家们不知道希格斯玻色子的质量，无法确定真空衰变是否真的可能发生。

LHC团队宣布发现希格斯玻色子后，科学家们终于能够计算真空衰变的概率。2017年，包括哈佛大学物理学教授马修·D·施瓦茨在内的团队计算得出，截至当时，真空衰变产生的气泡到达地球的概率仅为10⁻⁶⁰⁶，低到难以想象。2024年，基于更精确的测量数据，这一概率进一步降低至约10⁻⁸⁶⁸。

不过，计算过程存在一定不确定性，且可能存在其他影响真空衰变概率的因素。就像在即将沸腾的水中加入盐粒，原本零星的气泡会大量涌现，因为盐粒粗糙的表面为气泡形成提供了“种子”，促使水快速沸腾。在宇宙中，黑洞可能扮演着类似的角色。2015年，英国杜伦大学的露丝·格雷戈里和菲利普·布尔达，以及纽卡斯尔大学的伊恩·莫斯研究发现，特定质量的黑洞能像盐粒促使水沸腾一样，显著增加真空衰变的可能性。不过，这些黑洞必须非常小。

天文学家观测到的大多数黑洞由恒星死亡形成，这类黑洞在形成后会因霍金辐射逐渐缩小。质量大、曲率平缓的黑洞蒸发速度极慢，远超宇宙年龄；而质量极小的黑洞瞬间就会蒸发消失；只有质量介于两者之间（约几盎司）的黑洞，才有可能引发真空衰变气泡。在宇宙大爆炸初期，可能形成过一些原始黑洞，它们或许一开始就具备合适的质量，或者在后期缩小到合适大小，从而引发真空衰变。目前，天文学家尚未找到这类小原始黑洞存在的证据，不过若能发现它们，或许还能解释暗物质这一神秘现象。

2019年，格雷戈里与美国凯斯西储大学的戴德昌、纽约州立大学布法罗分校的德扬·斯托伊科维奇合作，计算出毁灭宇宙所需的小黑洞数量。斯托伊科维奇对该课题十分着迷，他表示一旦通过计算得出结论，就必须认真对待。当他在佛罗里达的一次会议上展示团队关于真空衰变的研究成果时，有听众质疑了解这些有何意义，毕竟真空衰变气泡以光速传播，人类根本来不及察觉。这一质疑促使斯托伊科维奇进一步深入研究，他与戴德昌等人发现，虽然真空衰变气泡在真空中以光速传播，但遇到恒星、行星等大质量天体时会减速。今年，他们发表预印论文《世界末日的信号》，描述了若附近出现真空衰变气泡，天文学家可能观测到的特定光谱的光爆现象。

此外，班加罗尔国际理论科学中心的物理学家阿肖克·森在2015年提出了一个颇具想象力的观点：人类或许能通过利用宇宙空间的膨胀，在真空衰变中幸存下来。由于暗能量的作用，宇宙时空一直在加速膨胀，遥远区域的分离速度甚至超过光速。森认为，如果人类能在宇宙早期向星际间广泛传播，就有可能借助宇宙膨胀速度，摆脱真空衰变气泡的威胁。

尽管科学家们对真空衰变已有一定研究，但仍存在诸多未知。粒子对撞机更精确的测量数据，以及小黑洞存在的证据，都可能大幅改变现有计算结果。更大的挑战在于，目前用于计算真空衰变概率的粒子物理学标准模型存在局限性，在描述具有极高能量（普朗克能量）的粒子时会失效。物理学家推测，宇宙中可能存在尚未被发现的新量子场和新粒子，它们或许会影响希格斯场，进而改变真空衰变发生的概率，甚至可能意味着希格斯场根本不存在所谓的第二个“山谷”。

不过，我们人类的存在本身，就是理解真空衰变的重要线索。如果基于标准模型计算出的真空衰变概率很高，但宇宙却历经137亿年仍未被真空衰变摧毁，这表明一定存在新的物理机制使宇宙保持稳定，也意味着标准模型之外还有未知的物理规律等待我们去探索。如今我们对真空衰变的研究和计算，或许能为未来在星际中探索的人类后裔指明方向，帮助他们揭开宇宙更深层次的奥秘。

参考文献

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[2] Gregory R, Burda P, Moss I G. Black Holes as Nucleation Sites for False Vacuum Decay[J]. Physical Review D, 2015, 92(10): 104024.

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来源: 科普文讯