我们宇宙真空的最终稳定性可能取决于两种基本粒子的质量:希格斯玻色子——它存在于所有时空之中——和顶夸克。这些质量的最新测量结果表明,我们的宇宙是亚稳态的,这意味着它可以基本上永远保持其现有状态……或者不。
真空期望
我们的宇宙并非一直如此。在大爆炸的最早时刻,当我们的宇宙只有其当前大小的一小部分时,能量和温度都异常高,甚至连基本的物理定律都完全不同。最值得注意的是,物理学家认为,曾几何时,自然界的所有四种力(引力、电磁力、强核力和弱核力)都合并成一种单一的统一力。
这种统一力的性质仍然是个谜,但随着宇宙从初始状态膨胀和冷却,这些力彼此分离。首先是引力,然后是强核力,最后是电磁力和弱核力彼此分离。最后一步我们可以在实验室中重现。在我们最强大的粒子对撞机中,我们可以达到所需的能量,至少是暂时地将这些力重新组合成单一的“电弱”力。
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可观测宇宙横跨令人难以置信的920亿光年,包含大约2万亿个星系。
广义相对论理论认为空间本身可以弯曲,允许宇宙呈现三种形式之一:像一张纸一样平坦,像一个球体一样封闭,或像一个马鞍一样开放。
每当力分裂时,宇宙都会经历一个剧烈的相变,并产生新的粒子和力。例如,统一的电弱力由四个无质量粒子携带,但电磁力由一个无质量粒子(光子)携带,而三个有质量粒子携带弱核力。如果这两种力没有分裂,那么我们所知的生命,它依赖于电磁相互作用将原子粘合成分子,就根本不会存在。
宇宙在超过130亿年的时间里没有经历过这种基本力的重新洗牌,但这并不意味着它不能再次玩同样的把戏。
决定性的希格斯玻色子
真空目前的稳定性取决于电弱力分裂的最终程度。这种分裂是否使宇宙达到了其最终的、最低能量的基态?或者它只是其进一步演化道路上的一个中途停留点?
答案归结为两个基本粒子的质量。一个是希格斯玻色子,它在物理学中扮演着主要角色:它的存在引发了数十亿年前电磁力和弱核力的分离。
起初,当我们的宇宙又热又密时,希格斯玻色子处于背景中,允许电弱力不受阻碍地支配。但一旦宇宙冷却到一定程度,希格斯玻色子就显现出来,并干扰了这种力,造成了此后一直保持的分离。希格斯玻色子的质量决定了这种分裂发生的时间,并调节了这种分离在今天的“强度”。
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但希格斯玻色子在物理学中扮演着另一个主要角色:通过与许多其他粒子相互作用,它赋予这些粒子质量。粒子与希格斯玻色子连接的强度决定了该粒子的质量。例如,电子几乎不与希格斯玻色子相互作用,所以它的质量非常轻,为511 MeV。另一方面,顶夸克与希格斯玻色子相互作用最强,使其成为粒子物理学标准模型中最重的物体,质量为175 GeV。
在粒子物理学中,粒子不断地与所有其他类型的粒子相互作用和干扰,但这些相互作用的强度取决于粒子的质量。因此,当我们试图评估任何涉及希格斯玻色子的事情时——比如它维持电磁力和弱核力之间分离的能力——我们还需要关注其他粒子将如何干扰这一努力。由于顶夸克是这一组中最大的(下一个最大的底夸克仅重5 GeV),它基本上是我们唯一需要关心的其他粒子。
宇宙的稳定性
当物理学家最初计算宇宙的稳定性时,根据希格斯玻色子维持电弱力分离的能力,他们不知道希格斯玻色子本身或顶夸克的质量。现在我们知道了:顶夸克重约175 GeV,希格斯玻色子重约125 GeV。
将这两个数字代入稳定性方程,结果显示宇宙是……亚稳态的。这与稳定不同,稳定意味着宇宙没有瞬间分裂的可能,但也与不稳定不同,不稳定意味着它已经发生了。
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其现有状态,但如果有什么东西以错误的方式扰动时空,那么它就会转变为一个新的基态。
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那种新状态会是什么样子?这无法确定,因为新宇宙将具有新的物理学,包含新的粒子和新的自然力。但可以肯定的是,生命将变得不同,甚至完全不可能。
更糟糕的是,它可能已经发生了。宇宙的某个角落可能已经开始了这种转变,新现实的泡泡正以光速向外膨胀。我们直到它真正到达时才会知道它袭击了我们。晚安!















