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大家好，我是魅力科學君，今天我們來聊一下“真空衰變”（Vacuum decay）——這是科學家根據量子場論推測出的一種有可能會發生的現象。
簡單來講，量子場論是現代物理學中用于描述微觀世界的一種理論框架，它結合了量子力學、狹義相對論和經典場論的概念，用于解釋基本粒子及其相互作用的本質。 該理論認為，場是宇宙中最基本的存在，而基本粒子則是場的量子激發，每一種基本粒子，都對應一種特定的場（如電子對應電子場、光子對應電磁場，夸克對應夸克場），這些場在宇宙中無處不在，就算是在真空中也不例外，只過根據理論上的預測，真空中的場都應該處于基態，也就是能量最低狀態。 然而科學家卻發現，真空中有一種場似乎并沒有處于基態。這種場就是“希格斯場”（Higgs field），它是一種能夠賦予基本粒子質量的場，其量子激發產生的基本粒子是“希格斯玻色子”（Higgs boson），從理論上來講，通過“希格斯玻色子”和頂夸克的質量，就可以計算出“希格斯場”的能量狀態。 在研究工作中，科學家測量出了“希格斯玻色子”和頂夸克的質量分別約為125.18GeV和173.1GeV，并據此計算出了“希格斯場”的能量曲線，結果發現，真空中的“希格斯場”沒有像理論預測中的那樣處于能量最低的基態，而是處于能量相對更高的亞穩態。
需要知道的是，宇宙萬物都會自發地趨向于能量最低的狀態（因為最低的能量狀態就是最穩定的狀態），這也被稱為“能量最低原理”，“希格斯場”當然也會遵循這種規律。 所以從理論上來講，如果真空中的“希格斯場”處于亞穩態，那這樣的真空就是“偽真空”（False vacuum），在這種情況下，它就會趨向于向“希格斯場”處于基態的“真真空”（Ture vacuum）轉變。 實際上，這種“偽真空”向“真真空”轉變的過程，就被稱為“真空衰變”。引人注目的是，科學家通過理論推測出了這種現象，卻希望它永遠不會發生，為什么呢？這是因為它可能會引發宇宙級的災難。下面我們就來看看“真空衰變”到底有多可怕。 科學家推測，“偽真空”之所以沒有向“真真空”轉變，是因為它受到了一種“能量勢壘”的阻礙。 這里我們不妨來做一個簡單的思想實驗，比如說在一個斜坡上有一個凹坑，而一個小球停在那里，這個凹坑就可以認為是一種“能量勢壘”，盡管小球會自發地趨向于向斜坡底部滾落，但在凹坑的阻礙之下，它也能保持穩定。
然而如果我們將這個小球推一下，讓它越過這個凹坑，那么它就會向斜坡的底部滾落，而在此過程中，就會有能量被釋放出來。 同樣的道理，假如有某種力量讓“偽真空”突破了“能量勢壘”的阻礙，那“偽真空”就會開始向“真真空”轉變，進而引發“真空衰變”，重要的是，在此過程中，也伴隨著能量釋放，而根據科學家的計算，“真空衰變”釋放出的能量是非常大的，完全可以讓其鄰近的“偽真空”也能突破“能量勢壘”。 也就是說，一旦“真空衰變”在宇宙的某個點啟動，就會使周圍的“偽真空”越過“能量勢壘”，繼而釋放出更多能量，然后這些能量又會引發更外側“偽真空”發生“真空衰變”…… 如此一來，一個由穩定的“真真空”構成的“真空泡”，就會在宇宙中快速擴張，從理論上來講，其擴張的速度可達到宇宙中的速度極限——光速。
那么，當這個“真空泡”席卷宇宙時，會發生什么呢？雖然我們不知道確切的后果，但可以肯定的是，那將是災難性的。 因為“希格斯場”決定著基本粒子的質量，“真真空”的到來意味著希格斯場的能量水平發生變化，這會直接導致所有基本粒子的質量發生改變，進而使它們無法再像現在我們所看到的那樣穩定地結合。 這就意味著，這個“真空泡”所到之處，我們所知的物質基礎將轟然崩塌，行星、恒星、星云，一切已知的宇宙結構都將灰飛煙滅，其中的生命同樣也無法幸免，最終只會留下一個完全陌生、面目全非的世界。
值得一提的是，根據狹義相對論，宇宙中任何信息的傳播速度都不可能超過光速，所以在這個“真空泡”到來之前，我們根本就察覺不到它的存在…… 不得不說，“真空衰變”確實是挺可怕的，不過這只是一種理論上的推測，實際情況是否真是如此，還是一個巨大的問號。 另一方面來講，“偽真空”突破“能量勢壘”在理論上有兩種途徑，一種是足夠高的能量輸入，另一種則是通過“量子隧穿效應”。 根據科學家的計算，“偽真空”突破“能量勢壘”所需要的能量極高，在宇宙中不可能自然存在，而“量子隧穿效應”的可能性雖然存在，但其概率卻極低（大約為每立方光年每10的790次方年發生一次）。 也就是說，即使現在的宇宙真的處于“偽真空”，其發生“真空衰變”的概率也是微乎其微，完全可以忽略不計，所以我們也不必為此擔心。 |
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