屋里的大象：粒子物理学有自己的死神

时间 2021-06-19 标签人工智能网络通信 gwt 交互设计 ipad

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科学有其可怕的一面。基础物理学是我们理解宇宙的基石，一个可怕的死神正潜伏在其深处，随时可能毁灭一切。当深入研究虚假真空衰减的恐怖世界时，结果很可能令你心惊。

想象一下如果物理学突然改变了，组成你身体的原子内的夸克突然想要以一系列不同的规则和力量运转。这不仅仅是有点刺激，还会抹去所有的化学和生物学。生命、化学物质、原子、太阳系、星系都不复存在了，宇宙将真实地终结。这听起来像是什么超级恶棍的末日装置的后果，但这实际上是一个标准模型的真实预测。简而言之，宇宙并不像我们曾以为的那样稳定。

可怕的物理夸克从何而来呢？它起源于能量和稳定性两个基本原理，以及他们对于宇宙中一个不寻常的力场的影响。

据爱因斯坦说，一切事物都具有能量，甚至质量本身也是能量（E=mc²）。但是宇宙中的一切物质都想要失去所具有的能量，并达到尽可能低的能量状态。比如说，咖啡冷却失去热能，自行车奔下山坡的时候失去重力势能。

这是一个所有事物都遵守的宇宙法则。所以一切事物都想要到达最低也因此是最稳定的能量状态。当然，有时为了释放能量需要一个推动力，就像放烟花需要火花点燃一样，但是最终都会到达其最低状态。记住释放能量所需的推动力对于之后至关重要。

然后我们就来到了不寻常力场。在粒子物理学的标准模型中，有基本粒子，即夸克、μ子、Gluons、光子等。但是我们也有四个力场，这些力场在这些粒子之间携带力量，即强核、弱核、电磁和引力。但是有一个奇怪的第五力场起了重要作用，叫做希格斯场（Higgs场）。

带有希格斯玻色子的希格斯场给了粒子质量。它与重力无关却产生惯性。你有没有尝试过通过推动汽车在平面上移动？希格斯玻色子以及希格斯场产生了反推你的“力量”，阻止你移动车往前走，也就是惯性。

但希格斯场的数学产生了一些可怕的东西。为了使希格斯场以及希格斯玻色子正常运转，希格斯能量需要保持一个高水平。就像需要很深的水才能产生很大的波浪一样，没有很深的水（即场中的高能量）就不能产生大的浪花（也就是希格斯玻色子），这导致一些粒子物理学家认为希格斯场可能是“亚稳态”或在假真空中。

亚稳态或假真空意味着一些东西看似稳定运转，但在现实中并非如此。让我们回想一下烟火，握在手里的时候似乎是稳定的。你可以把它扔了，它不会消失。但是如果你给保险丝一点热量，它就会引爆然后释放出里面所有的能量，一旦烧坏就会降低到一个更低更稳定的能量层。

所以，在烟火点燃之前，你可以称之为亚稳态或假真空。然后一旦烧起来，它就变得稳定，或者在一个真正的真空之中。

这与这里的实际真空无关，只是物理学家不擅长命名这些事物，涉及粒子和力时尤甚。假真空可能就是高能量希格斯场的问题所在。我们可能陷入一种假稳定感之中，而只需要一点点推力就可以把它推到边缘，释放其所有能量。

希格斯场假真空——WIKICC

你可以在上面的图表中看到这一现象。希格斯场可以在较高的能谷中捕获到，但只需一点推动力就可以克服谷峰并进入较低谷峰。这就是为什么这个世界末日被称为假真空衰退了，因为希格斯场从假真空衰退至真真空了。

所以希格斯场如果越过边缘就可以释放出大量的能量。听起来不太像是个问题对吧？毕竟，如何提高力场的能量水平呢？即使是能量释放了一下，也不会是个多大的问题吧？错。

使希格斯场至较低的水平可能比较简单，因为它可能自己完成这一切！此外，释放的能量是我们最不用担心的，因为这件事会导致所有的物理爆炸。我们不需要更多的能量使希格斯场处于两个稳定点的谷峰上。物理学上的另一个怪癖可以做到这一点，我们只需穿过“谷峰”的量子隧道的磁场。

在量子物理中，粒子不是绝对点，而是一个模糊的概率区域。只有当我们观察到一个粒子时我们才能固定它的位置，直到那时才会出现在概率区域内。这个领域在技术上涵盖了整个宇宙，但指数可能下降，你走得更远。

因此，你能够在坚固的墙的一面观察到一个粒子然后再观察，它就会出现在墙的另一面。粒子移动那个长度的可能性很小很小，想要找到它之前的位置很可能非常困难。在这个奇怪的传送过程中，就像粒子没有穿过墙壁一样，它只是出现在一个不可能的地方。这种效应被称为量子隧道，每个粒子都能经历这种可能性下的传送。

的确，这也有可能发生在大型物体上。从技术上讲，你可以立马被量子概率传送到埃菲尔铁塔顶端。不过机会非常渺茫，你可能需要等很长时间。就像比宇宙长几个数量级的宇宙会一直存在直至被自身温度热死。这是假设假真空衰退不会先发生……量子物理使思维扭曲，不是吗！

相同的事会发生在希格斯场中。使量子隧道跨越“谷峰”的能量水平造成了亚稳态。因此，不用任何额外的能量促进，希格斯场就可以穿过“谷峰”，到达更低的能量状态，释放所有被压抑的能量，释放世界末日。然而这种量子隧道事件的可能性是非常小的。

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希格斯场的一个部分做这件事不是什么大问题，但是力场不是这样工作的。相反，这种能量的下降会扩散到希格斯场，会造成一个假真空衰减球体以光速从量子轨道事件中出去。要记得，希格斯场覆盖了整个宇宙。这意味着释放的能量水平将会是巨大的，这场破坏的波阵面将极其巨大且充满能量。

所以至少，你不会看到这场破坏的到来，因为它将以光速进行。但是，这也是真正令人恐怖的事，因为物理学从根本上无法改变。

希格斯场和希格斯粒子对颗粒的影响对于原子如何形成和重力如何作用至关重要。这就意味着在改变的希格斯场的作用下，原子将会分离，重力将会永远改变。这将会结束一切化科学和整个宇宙。宇宙实际上已经结束或者改变了太多，以至自然法则不允许任何类似于宇宙这样我们可以居住的地方了存在了。

所以你不仅看不到其到来，而且它也可能是最快的死亡，因为你的原子将会以光速解体。这会是一种快速无痛的死亡，我不确定有多么舒服，但是可能会比较糟糕，至少不是一个漫长、缓慢、痛苦的启示录。

所以你可以看见，这种存在的厄运潜伏在一种基本力量，这种力量帮助我们建立奇妙的宇宙。这可以发生在任何时间，任何地点，它所需要的只是一次偶然的量子事件，然后一切都会终结。

这种想法及其可怕，对宇宙的恐惧本身就是一种怪诞的想法。我们真的应该畏惧物理的死神吗？是也不是。事实是我们不知道关于希格斯场的一切，甚至过去发生过的最糟糕的事，它可能不是宇宙的终结，甚至不会影响到我们。

首先，实际上我们不知道希格斯场是否有更低的能量状态。在其所处水平，这个场可能会非常稳定，处于这么奇怪的高能量水平有一个不同的原因。

这可能指向了当前粒子物理理论中的一个深刻缺陷。标准模型，描述所有粒子及其相互作用的理论，是我们所能想到的最好的也是差的理论。它经历了数万亿次测量，最终证明其工作出色并且在所有预测粒子实验中十分精确。然而，它不能很好地解释重力以及中性粒细胞。所以，这个完美的理论似乎有一些明显的漏洞。

希格斯场的高能量状态会成为标准模型费力解释的另一个现象吗？会让我们思考这里会存在一个更低更稳定的状态吗？当然有可能。也有可能希格斯场陷入了稳定性的错觉。但是即便如此，我们也不必过于担心，因为有量子隧道的极微小的机会以及更多的量子的离奇事件。

量子隧道事件将希格斯场推到边缘的可能性是未知的，它可能会非常小，也很有可能因从未发生而令人惊讶。但是我们猜想这是不可能的，宇宙已有近140亿年的历史，而且还没有结束，从这个事实中我们就可以简单得出。

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就这一点来看，如果宇宙明天终结，那么希格斯场量子轨道事件发生在某一天的概率是5.11x1⁰¹¹分之一。这件事就像在一年中的两次不同的风暴中被闪电击中两次一样奇怪。据我所知，这在人类历史上从未发生过。

但不能靠宇宙的年龄猜想一个概率。如果真的考虑物理，这样事件的概率可能会小很多个数量级。我们不确定因为我们不知道产生亚稳态的“谷峰”多大，但是很可能是很大。这意味着宇宙可能在明天终结，或者再活1000亿年。

根据纯数据，你无需担心。宇宙已经存在了138亿年，并且没有发生这么大的灾难，所以笔者确定宇宙还能持续更久。但是如果我们错了怎么办？如果“谷峰”更小而使量子隧道时间的发生概率更高了怎么办？笔者想起了第二个不必担心的理由。

如果量子物理的多世界解释是准确的，那么我们无需担心了因为量子永存。

量子事件实际是一个有不同后果可能性的随机事件。如果有无限多的宇宙，那么一定有无限多个相同的宇宙。量子事件发生的时候，它把所有的宇宙分离开，一些宇宙会经历一种后果，而其他的经历另一种。而你不能观察有量子事件的宇宙，量子事件会杀了你，你将只能经历你生活的宇宙。

有点复杂，让我们用薛定谔的猫来解释一下吧。

没有猫在“薛定谔的猫”实验中受到伤害

薛定谔通过一个思想实验解释了量子事件。他说如果你把一只猫放进一个有毒的盒子里，这些毒是由量子事件释放的，然后密封箱子，那么对于盒子外的观察者来说猫既是死的又是活的，又称处于叠加中。直到你观察到了猫才能确定它死了还是活着，但是直到你观察到之前，这只猫都有两种可能。

多世界解释表示，这是因为有无限量相同的宇宙。在一些宇宙里面猫死了，在一些宇宙里面猫活着。只有观察猫的时候，你才能确定你在哪个宇宙分支里。

在这种无限的情况下，从猫的角度来看，发生了一些奇怪的事情。猫不能观察到一个它死在其中的宇宙，只能观察到一个它在其中活着的宇宙。所以猫不会经历释放出的毒药，就会永远活着。这被称为量子永生，只要致你死亡的事情和量子事件联系起来，你就不会被杀！只要量子机械学的多世界解释是对的。

在假真空衰减的情况下，量子隧道事件是触发器。因此，如果多世界的解释是正确的，无论可能性多么大，我们都不会再经历衰减到更低能量状态的希格斯场了。它将永远不会构成威胁。

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这意味着我们将为带来厄运的量子物理的怪癖所拯救，这是量子事件的概率结果。我们所需要的只有无限数量的宇宙。要求不多对吧？没错，宇宙有可能于明天终结，希格斯场将会坍塌到较低的能量状态，使得组成你的原子无效。但同样还有很多它不会发生的原因。

笔者认为掌握虚假真空知识最好的方法就是把每天都活得好像最后一天一样。所以享受生活吧，同时不要忘记，由于深深隐藏在粒子物理学中的死神，宇宙有可能于明天终结。

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编译组：侯霜宁、岳馨妍