宇宙可能比我们想象的更不稳定

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宇宙可能比我们想象的更不稳定

空间被认为是亚稳态的,这意味着它有可能崩溃——或者已经崩溃了。

我们宇宙真空的最终稳定性可能基于两种基本粒子的质量,即存在于所有空间和时间的希格斯玻色子和顶夸克。对这些质量的最新测量表明,我们的宇宙是亚稳态的,这意味着它可能几乎永远维持在当前状态……也可能不会永远。

真空期望

我们的宇宙并不总是一样的。在大爆炸的最初时刻,当我们的宇宙只是目前大小的一小部分时,能量和温度非常高,甚至基本物理定律也完全不同。特别是,物理学家认为,所有四种自然力(重力、电磁力、强核力和弱核力)曾经组合成一种统一的力。

这种组合力的性质仍然是个谜,但随着宇宙的膨胀和冷却,这些力彼此分离。首先出现引力,然后出现强核力,最后电磁力和弱核力相互分离。我们可以在实验室中重现这最后一步。在我们最强大的粒子对撞机中,我们可以获得(至少暂时)将这些力重新组合成单​个“电弱”力所需的能量。

每次力量分离时,宇宙都会经历一次彻底的相变,并充满新的粒子和力量。例如,组合电弱力由四个无质量粒子携带,但电磁力由单个无质量粒子(光子)携带,而三个大质量粒子携带弱核。如果这两种力没有分离,我们所知道的生命将根本不存在,生命依赖于将原子粘合成分子的电磁相互作用。

宇宙在超过 130 亿年的时间里没有经历过这样的基本力的重新排列,但这并不意味着它不能再次发挥同样的作用。

决定性的希格斯玻色子

真空电流的稳定性取决于电弱力分裂的极端程度。宇宙的分裂是否导致了最终的、最低能量的基态?或者这只是其进一步发展道路上的一个停留?

答案归结为两个基本粒子的质量。其中之一就是希格斯玻色子,它在物理学中发挥着重要作用:它的存在在数十亿年前就导致了电磁力和弱核力的分离。

起初,当我们的宇宙又热又密时,希格斯粒子仍然处于幕后,让电弱力不受控制地统治。但一旦宇宙冷却,希格斯玻色子就暴露了它的存在并干扰了这种力量,造成了一种持续至今的分裂。希格斯玻色子的质量是在这种分离发生时确定的,它决定了今天这种分离的“强度”。

但希格斯粒子在物理学中扮演着另一个重要角色:通过与许多其他粒子相互作用,它赋予这些粒子质量。粒子与希格斯粒子的结合强度决定了该粒子的质量。例如,电子几乎不与希格斯粒子相互作用,因此它接收到的光质量为 511 MeV。在光谱的另一端,顶夸克与希格斯粒子的相互作用最强,使其成为粒子物理标准模型中最重的物体,质量为 175 GeV。

在粒子物理学中,粒子不断地相互作用并与所有其他类型的粒子相互作用,但这些相互作用的强度取决于粒子的质量。因此,当我们尝试评估与希格斯玻色子相关的任何事物时,例如其保持电磁力和弱核力之间分离的能力,我们还需要看看其他粒子将如何干扰这种力。由于上夸克无疑是该组中最大的粒子(第二大的下夸克重量仅为 5 GeV),因此它本质上是我们唯一需要关心的其他粒子。

宇宙的稳定性

当物理学家首次计算宇宙的稳定性(由希格斯玻色子维持电弱力分离的能力决定)时,他们不知道希格斯玻色子本身或顶夸克的质量。现在我们知道:顶夸克的重量约为175 GeV,希格斯粒子的重量约为125 GeV。

将这两个数字包含在稳定性方程中表明宇宙是......亚稳态的。这与稳定不同,稳定意味着宇宙不可能立即分裂,也不同于不稳定,意味着宇宙已经发生了分裂。

相反,宇宙处于一个相当不稳定的位置:它可以无限期地保持当前状态,但如果某些东西错误地扰乱了时空,那么它就会转变为新的基态。

这个新的状态会是什么样子?这是不可能的,因为新的宇宙将有新的物理、新的粒子和新的自然力。但可以肯定地说,即使不是完全不可能,生活也会有所不同。

更糟糕的是,这可能已经发生了。也许在太空的某个角落,转变已经开始,新现实的泡沫正在以光速膨胀。直到它到达之前我们都不知道它已经袭击了我们。

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