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数学已证明一种特殊的时空具有不稳定性:微小的扰动就会产生黑洞

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宇宙解码 2021-05-08 16:54
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人类对于宇宙的好奇从很久以前就开始了。宇宙是如何形成的?这是物理学(也是形而上学)中最艰深的未解问题之一。现在的宇宙是从另外一个宇宙的黑洞中孕育而出的吗?如果确实如此,那另一个宇宙是从何而来?无限回溯,何为尽头?

另一种观点是,在某种意义上,宇宙处于一个暂时的状态,而人类所理解的现实其实为“假真空”(false vacuum)。

当一个场内存在一高一低两种“基态”,就会出现假真空。可以把假真空想象成一个山谷。山谷四面环山,在山谷里的人看来,谷底似乎就是地势最低的地方。然而,山谷里的人不知道的是,山的另一边是一个临海的悬崖。

本例中,海就是“真真空”,也是能量的最低基态,而假真空只是给人以“最低基态”的印象,因为其四周都是更高的能量。

在经典场论中,一切事物都逃不出这样的能量“山谷”,除非施加随机的外部能量,让物质蒸发出来。但如果“山谷”内包含着所有现存物质的总和,便无法施加外部能量。因此,万事万物都会维持不变。

另一方面,在量子场理论中没有什么是绝对的。事实上,一个场或一个粒子状态的不确定性将导致它缓慢地泄露。你可以想象量子力学在谷底挖了一条地下河:尽管山谷里的物质大体都维持不变,但随着时间的推移,河水会一点点冲刷着山谷,直到山谷坍塌,最终裹挟着一切奔向大海。

这就是假真空的问题所在,且其对一切事物的存在都可能构成威胁。如果这是真的,它不仅会影响宇宙随时间的进化,而且会把包括所有物质在内的一切都拉回基态。从夸克和电子到质子、中子、原子和分子,一切都会化为乌有,就好像它们从未存在过一样。

用一个词来形容就是宇宙是“亚稳定的”。好比在一个类似马鞍的地方休息,很容易从一侧滑下去,然后四脚朝天再也起不来。

我们知道宇宙中存在这样的亚稳定的过程。比如引力坍缩的例子——一个由许多像苍蝇一样嗡嗡作响的恒星组成的星团从亚稳定状态坍缩成一个更小、更热、速度更快的星团,多余的外围恒星被抛入深渊。

整个过程的发生覆盖了周围数光年的距离,在如此多存在引力的物体的复杂动态中,这样的坍缩是不可避免的,而且无需量子衰变。然而,这样的星团可以在不经历这样的坍缩的情况下持续存在上亿年。

物理学家说,在假真空的情况下,物质能持续的时间可能是千垓(10的20次方)年,比宇宙的年龄要长得多。不过,也有可能只有几百亿年(宇宙的年龄“只有”约13.7亿岁)。人类对此所知尚且不足。

从概率上看,我们已经进化到了宇宙最适合生命生存的时刻。这是根据贝叶斯理论(一个关于概率的理论)得出的看法,我们对此持保留态度,但如果这样真的是这样的话,是否意味着宇宙在未来数十亿年内可能变得不再宜居呢?甚至或许目前正处于一个坍缩至基态的过程?这样的灭亡不仅会毁灭星系,还会将物质本身拖入虚无。

这让人想起了电影《大魔域》(The Neverending Story)中的“空无”(the Great Nothing)——一切事物都被它吞噬进了虚无之境。

从量子力学中我们知道,当一个统一的量子场论分解成几个独立的力时,亚稳定(假真空)可以存在。既然我们相信在大爆炸时存在一种统一的力,就不能保证它一定分裂成了最低基态。相反,它可能已经衰减到一个假真空,因而我们将假真空周围的波动视作粒子。还有一种可能是,从宇宙进入那个“山谷”起,它就一直停留在那里。

Michael Turner和Frank Wilczek在1982年的《自然》杂志上发表了一篇关于这个想法的论文,文中提到:在毫无防备的情况下,一个真空气泡可能会在宇宙的某个角落成核,并以光速向外移动,在我们反应过来刚刚扫过眼前的物质是什么之前,我们的质子就会衰变掉。

上述情况可能已经在宇宙的某个角落里悄然发生了,并以一个不断膨胀的真空泡的形式向我们加速奔来。

如果你曾试过用微波炉烧水,就会看到这样的现象发生——当微波炉使水沸腾时,水面下的水要想变成蒸汽,就需要有能形成气泡的成核部位。否则,它就会因为光滑的杯子内壁以及缺少能使其脱离亚稳态的外部振动而无法蒸发,变成过热的液态水。

只要在水里放点东西,比如茶包,过热的水就会在茶包周围形成气泡核,从而变成蒸汽。即使停止加热,这些气泡也会促发其它气泡的形成,进而使杯子里的水变成泡沫和蒸汽。如果有足量的过热水,它可能还会发生爆炸。

是的,对于宇宙来说,一个“真空”气泡就足以能够让其沸腾成乌有。

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