宇宙的“非正常死亡”

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除了“大撕裂”“大冻结”“大崩塌”或“大反弹”，还有一种——宇宙会“非正常死亡”!


什么叫宇宙“非正常死亡”?


如果我们把数百亿年之后才会发生的“大撕裂”“ 大冻结”“大崩塌”或“大反弹”当作宇宙的正常死亡的话，那么不是这些类型的“寿终正寝”，而是突然莫名其妙的死亡，就叫宇宙的“非正常死亡”。这正如我们本来指望一个人能活到高寿，自然地老死，孰料有一天他却被车撞死一样。

一个人发生意外，譬如被车撞了，那是因为在他之外，还有一个外部世界，这个外部世界不受他控制。但是作为宇宙，已经无所不包了，为什么还会发生意外呢?


宇宙会发生意外，是因为真空并不空，真空本身有一份非零的、正的能量。


这是什么意思?


如果你把你能想象到的一切——物质、辐射、中微子、电场和磁场，以及引力场——都从一块空间区域移走，你就会得到一块跟理想的“无”最接近的纯粹真空。你或许会想，如果去测量这块空间里面的总能量，它总应该正好是零吧。

但事实上并非如此。即使我们移去上述所说的“一切”， 一块纯粹的真空，其能量也并非为零。真空本身在任何时候总是自带着一份非零的、正的能量。


正是空间的这一属性，对宇宙的命运有着莫大的影响。正是它，随时可能让宇宙“非正常死亡”。


真空并不空


前面已经说了，宇宙会发生意外,是因为真空不空，真空本身有一份非零的、正的能量。对这一点的认识，科学家经历了一个艰难复杂的过程。


让我们从爱因斯坦的宇宙学方程谈起。


1920年代，爱因斯坦在提出广义相对论后不久，首次用广义相对论研究整个宇宙，开创了现代宇宙学。他为宇宙建立了一个引力场方程。可是，他很快发现，这样的宇宙模型是不稳定的：由于引力作用，万物相吸相聚，这个宇宙有天然的收缩的趋势。在那个年代，人们普遍深信，宇宙是静态的，亘古如斯。爱因斯坦也不例外。所以为了能让他的宇宙保持稳定，他只好在引力场方程中人为地添加进一个常数项，以此来抵消引力。这就是著名的“宇宙学常数”。至于“宇宙学常数”具体代表什么，他自己也不知道。

可是到了1929年，哈勃发现了星系正在彼此远离，宇宙正在膨胀，这与静态宇宙模型不符。由于在一个膨胀的宇宙中，膨胀本身就可以抵消引力，所以宇宙学常数变得多余。这让爱因斯坦追悔莫及，将其称作他一生中“最大的错误”。


然而到了1990年代，情况发生了变化。1990年代末的观测表明，似乎有什么东西在推动着宇宙膨胀加速。我们给这种东西取了一个名字，叫“暗能量”。我们虽然迄今仍不知暗能量到底是什么，但可以肯定，它不是任何形式的物质或场。此外，它的能量密度看起来不随时间和空间而变化，是一个常数。


如此一来，“宇宙膨胀在加速”这一事实就可以在爱因斯坦的宇宙方程中以添加一个正值的宇宙学常数的形式来表达。当初被爱因斯坦抛弃的宇宙学常数这下又起死回生了!这里的宇宙学常数代表暗能量。


物理学家继续追问，暗能量到底是什么东西呢?根据其表现出来的性质(既非物质又非场，能量密度恒定不变)，目前大多数人推测，暗能量应该是空间本身的一种能量，甚至有人大胆猜测说，它就是真空本身的能量，或者说就是真空的零点能。


什么是真空的零点能?为什么真空本身还会有能量?直接谈论有点不好理解，让我们先从一般的物理系统谈起。


什么是真空的零点能?


在数学上，零的概念很简单，它只是一个既非正也非负的数，是正数和负数的分界。


然而，在物理学上，零的概念就复杂多了。我们用另一种方式来定义零：一个系统所能达到的最低能量状态。


譬如一架秋千，当秋千停在最低点的时候，能量达到最低。其他例子还有：一群与外界隔离的有质量的物体，当它们合并变成一个黑洞时，能量达到最低;对于一个质子和一个电子，当它们形成一个电子处于基态的氢原子时，能量达到最低;对于宇宙本身而言，当它里面没有任何物质，也就是作为纯粹“无”的空间存在时，能量达到最低……


这种最低能量的配置，被称为系统的“零点状态”，对应的能量被称为“零点能”。

对于许多人来说，或许会简单地认为，任何系统零点状态的能量应该为零。但事实并非如此。还是以秋千为例。当秋千静止在最低处时，尽管势能达到最低——这正是它的零点状态，但相对于地面，秋千依然还有一个并不为零的势能。还有氢原子，它的零点状态是电子在离质子最近的一条轨道上运动时的状态(即所谓的基态)。这个基态能量也不为零。


任何粒子系统都可能有一个非零的零点能(当然，零点能也可能是零)，这个想法最早可以追溯到1911年量子论的创立者马克斯·普朗克，并由爱因斯坦在1913年推广到量子场。现在我们知道，任何粒子，哪怕冷却到最低的绝对零度，也还会有轻微的振动。而过去我们一直认为，既然温度是微观粒子无规则运动的度量，那么当温度降低到绝对零度时，粒子所有的运动都应该完全停止。粒子在绝对零度时仍然有运动，这是由量子力学的不确定性原理所决定的(见小贴士：不确定性原理)。所以，如果我们把它们在绝对零度时的状态定义为“零点”状态，它们都有一个正的零点能。


真空零点能的真面目


那么真空的零点能是怎样产生的?它到底有多大?


我们知道，宇宙是由粒子和场组成的。粒子之间通过场相互作用。有四种基本的作用力场：引力场、电磁场、弱核力场和强核力场。引力场由广义相对论描述，其他三种基本作用力场由量子场理论描述。


但是，事实上，除了把相互作用力当作量子场，现代量子场理论走得更远。它认为任何一种粒子都对应着一种量子场，粒子只不过是处于激发状态的量子场。譬如电子有对应的电子场，当电子场受到激发，就从中“蹦”出一个电子;希格斯子有对应的希格斯场，当希格斯场受到激发，就从中“蹦”出一个希格斯子;等等。而这些量子场也充满了看似空无一物的真空，真空像起伏不定的能量之海，那里有粒子-反粒子对不断地生成和湮灭(这叫量子涨落)。

既然这样，真空也应该被视为一个物理系统，也应该有其零点状态。由于所有真空在同体积的情况下都是一样的，所以真空的零点能也应该是一项常数。现在的问题只在于：它的零点能是多少?


遗憾的是，从量子场论去计算真空的零点能非常棘手。按某些计算，真空的零点能大得离谱。譬如物理学家约翰·惠勒计算出的真空零点能，在一个灯泡体积内就潜藏着足以让全世界的海洋沸腾的能量。如果这些结果是正确的，那么根据质能方程，能量对应质量，然后再根据广义相对论，质量使空间弯曲，那么我们周围的空间早就应该严重弯曲了。这与我们观察到的空间相对平坦这一事实不符。


那么真空的零点能是否正好等于零?答案是否定的。


首先，半个多世纪以来的一系列实验证实，真空的零点能是一个微小的不为零的正值。不为零的真空零点能可以产生微弱的物理效应，其中最著名的是卡西米尔效应(见小贴士：卡西米尔效应)。


其次，目前对于暗能量物理学家想不出别的解释，但暗能量又是客观存在的。所以假如我们坚持要把暗能量解释为真空的零点能的话，那真空的零点能就不能为零。


由此，真空的零点能不可能很大，但也不能为零。


真真空和假真空


既然实验承认真空有个不为零的最低能量状态(即零点状态)。那么问题来了，即我们所处的这个真空，到底是不是真空的最低能量状态?如果我们把最低能量状态的真空算作真真空的话，那么不是最低能量状态的真空就是假真空。现在要问：我们是处在一个真真空中，还是处在一个假真空中?


为什么要担心这个问题呢?因为当初假设真空的零点能为零的时候，真空的稳定性本来是毫无悬念的，原因是能量只能取非负值，既然是零了，当然就是最小的了，说明我们处在一个稳定的真真空。但现在真空的零点能是正的，我们就不得不问：目前这个能量非零的真空，到底是不是真空的最低能量状态?


如果回答“是”，我们就说，这是一个稳定的真真空。宇宙处于这种真空中很安全，不用我们担心。如果回答“否”，我们就说，这是一个不稳定的假真空。宇宙处于这种真空中，虽然看起来似乎平安无事，但随时都有发生翻天覆地的变化的危险。

为了便于理解，你可以这样去想：假如你把一个球放在山顶上，让它滚下去，滚下去，直到最后停下来。如果山坡是光滑的，你可以想象，它会很容易地一直滚到山脚的最低处，在那里它将停住不动。


但是，如果山坡是不光滑的，有坑、有树、有大石头挡路，你可以想象，你的球可能会在半道上停下来。它可以无限期地停留在那些地方。但那里不是真正的最低点，而是一个假的最低点。一旦有风吹草动，球就会继续往山下滚，直到它滚到真正的最低处。


现在我们的问题相当于问：这个零点能是正数的真空，究竟是像半山腰上的石头一样的假真空，还是像已经跌入山谷的石头一样的真真空?


也许，虽然我们的宇宙有一个正的、非零的真空能量，但我们处于真真空。如果是这样，宇宙将按自身的演化规律，在度过了漫长的岁月之后，迎来或“大撕裂”，或“ 大冻结”，或“大崩塌”的自然终结。

但是，如果我们生活在一个假真空中呢?如此一来，假真空总有一定的概率衰变成真真空——这一点也是量子力学告诉我们的。


在量子力学中，无论屏障有多高，总是有一定的概率，允许粒子从较高的能量状态过渡到较低的能量状态。这叫“量子隧道效应”。意思是说，一个粒子即使没有足够的能量克服一道能量高山，但它依然有一定的概率可以穿山而过，仿佛中间有条隧道一样。放射性原子的衰变就是量子隧道效应活生生的例子。


宇宙的非正常死亡


那么，这与宇宙的非正常死亡有什么关系呢?


这里涉及到一个词——“宇宙相变”。在物理学上，把水从一种状态转变成另一种状态叫水的相变，我们也把真空从假真空转变成真真空称为“真空的相变”。当真空的相变涉及整个宇宙时，我们又不妨说这是“宇宙相变”。


如果我们的真空通过量子隧道效应进入更低的能量状态，支配今天宇宙的这些物理规律和物理学常数(比如光速)会不会保持不变，都很难说。理论上说，无论这种真空相变在哪里发生，原子、行星、恒星，当然还有人类，都将被摧毁。正如水的相变(譬如水结成冰)往往是从一点开始，然后迅速蔓延至全体的，真空的相变也会从宇宙的某一角落开始，然后以光速向外传播，席卷整个宇宙。说不定此刻，真空的相变就已经在遥远的地方发生，只是还未传到我们可观察的宇宙范围内而已。


如果发生真空相变，宇宙当然就不会是自然地老死，而是突然终结，变成一个新宇宙。至于这个宇宙是什么样子，全然超乎我们的想象。新宇宙可能跟旧宇宙看起来差不多，只是做了点微调，比如对暗能量所占的比例，或者对中微子的质量，做一点调整。但也可能新宇宙跟旧宇宙迥然不同，充满了全新的粒子和力场，没有任何生命可以在其中诞生。


我是在危言耸听吗?也许是吧。但是，我们别忘了，席卷全宇宙的相变在宇宙历史上已经至少发生过一次。


在宇宙最早的时候，我们现今看到的四种基本作用力——引力、电磁力、强核力和弱核力——是结合在一起，强度完全一样，不分彼此的，这叫“统一场”。后来，随着宇宙的膨胀和冷却，统一场经历了相变，它们才一个一个地分开。最后一次相变发生在电磁力与弱力分离的时候。这次相变产生了光子(传递电磁力的粒子)以及W和Z玻色子(传递弱核力的粒子)。这一切都发生在宇宙刚诞生不到一秒的时候。自那以后，不再有相变，一切都很稳定。自然界的四种基本作用力主导宇宙的演变，历时138亿年。


触发真空相变的可能方式


但只要我们目前的真空是假真空，对于相变来说，不管之前的状态已经保持了多么久，只要给系统一个小小的扰动，相变也照样可以随时发生。这就好比一块石头在山顶已经呆了数亿年，哪一天你爬到山顶，轻轻踢它一脚，它就滚下山来了。


那么，如果我们的真空是假真空，有什么扰动可能触发它相变呢?


理论上，任何高能粒子的产生都可能是一种触发相变的扰动。但从“宇宙中每时每刻都在产生大量高能粒子，而它却已经稳稳当当地存在了138亿年”这一点来说，由高能粒子来触发真空相变的概率还是非常之低的。一些人担心地球上的高能加速器，例如欧洲大型强子对撞机，会触发真空相变，其实这种担心是多余的。因为目前对撞机上产生的粒子能量最高只达13TeV(1TeV相当于质子静止质量的10亿倍)，而宇宙中目前观察到的粒子，能量最高的就达106TeV。要想在加速器上制造出如此高能的粒子，按现在的科学发展趋势，人类至少还需要150年。


触发真空相变的另一种可能来自黑洞的碰撞。最近，美国纽约曼哈顿学院的罗斯蒂斯拉夫·科诺普利奇和他的同事计算表明，假如我们的真空是假真空，当两个黑洞发生碰撞时，黑洞附近的极端引力可以创造出真真空泡泡。一般来说，这些真真空泡泡立即落入黑洞，它们不会对宇宙构成任何威胁，但不能保证不会出现个别泡泡逃逸的现象。一旦有一个逃逸出来，并以光速扩张开来，就会给宇宙带来灭顶之灾。


如何知道宇宙处于哪种真空?


总之，如果我们处在一个假真空中，就随时有可能发生“宇宙相变”。那么，该如何知道我们的宇宙是处于真真空还是假真空中呢?如果能证明宇宙处于真真空中，那自然可以让我们一百个放心。


这个问题还真是不容易回答。有些人把赌注押在希格斯玻色子的质量上。因为希格斯场是一个非常特殊的场：所有基本粒子的质量都是它赋予的;它也是上一次宇宙相变的主角，是它将电磁力和弱核力分开。如果没有它，这些力到现在还会合并在一起。


在量子物理学中，一个粒子质量越大，往往越不稳定。大质量的粒子会迅速衰变为较轻的粒子。今天，我们所找到的希格斯子固然是非常不稳定的，平均寿命只有1.56×10-22秒，但如果它的质量再大，会变得更加不稳定。考虑到希格斯场遍及宇宙，一些物理学家认为，希格斯子的质量对于宇宙的稳定性具有决定性的影响。

但遗憾的是，物理学家迄今对希格斯子的测量发现，它的质量正好模棱两可：这个质量既可以让宇宙处于真真空，也可以让宇宙处于假真空。


不过，就算希格斯子的质量能让我们对真空做出明确的判断，我们也不敢保证说这是最终答案。因为做出判断的理论基础是粒子物理学的标准模型，而这个模型并不完善，远不是什么可以盖棺定论的理论。


上一节提到，假如我们的真空是假真空，在黑洞碰撞中会产生真真空泡泡。这就引出另一个判断真空真假的办法。


事情是这样：按科诺普利奇等人的理论，这些真真空泡泡如果碰撞合并，会形成微型黑洞;而微型黑洞会以霍金辐射的形式，极快地蒸发掉。我们就可以通过探测霍金辐射来验证其是否存在。这样，也就间接证明了我们的真空确实是一个假真空。不过，探测霍金辐射是非常难的，我们迄今都未能从实验上证实霍金辐射。


总之，不管怎么说，我们可能生活在假真空中这一点提醒我们，宇宙中的一切是多么短暂和脆弱。宇宙随时都可能“非正常死亡”。所以，我们应该倍加珍惜和热爱今天的这个宇宙。