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真空衰减来临时,我们可能会死得毫无痛苦

 天选小丑 2018-04-13

Matt Murphy

1968年,当Robert Kirshner从马萨诸塞州的哈佛大学毕业时,他的气泡宇宙生涯就开始了。Kirshner是一个充满活力、爱开玩笑的有趣家伙。几年后,Kirshner已是加州理工学院的研究生。在加州理工学院,Kirshner交了一点好运,改变了他的专业方向,且最终改变了现代宇宙学。

在加州理工学院时,天空中出现了一颗明亮的超新星,Kirshner有幸使用帕洛马山巨大的200英寸哈尔望远镜对其进行观测。在把他的发现与当时一些新颖的技巧结合之后,Kirshner发明了一种聪明的方法,来测量宇宙天体和我们的距离。当时,宇宙的尺度对于人类来说是一个模糊的概念,更加精确的测量数据,是我们深入理解宇宙结构及其演化过程的关键。

上世纪90年代中期,Kirshner组建了一个小组,专注于利用超新星测量宇宙膨胀的速率。这个小组在哈佛一直保留到现在。了解宇宙膨胀的速率,通俗地讲就是了解宇宙会如何随时间而变化。天文学家原以为宇宙的膨胀会慢下来,因为宇宙间有那么多的星系在产生引力。问题在于宇宙膨胀的减速有多快?

为了得到答案,Kirshner和他的团队测量了近处及远方超新星和我们的距离,并将它们的距离和退行速度进行了比较。他们把超新星当作具有固定光度的灯塔,这样我们之间的距离就可以通过其亮度的变弱程度算出。随后,我们就可以了解到,它发出的光线在多大程度上受到了宇宙膨胀的影响(红移)。将远近不同的超新星进行比较后就能得出宇宙膨胀的速率。

由于光速是恒定的,因此离我们越远的天体呈现在我们眼中的影像就越古老。一光年大约相当于10万亿公里,是光在一年中可以前进的距离。6500万光年外的超新星爆发实际上发生在6500万年前。它爆发时,恐龙还在地球上悠哉游哉地漫步。Kirshner的观测对象所处的时间,远在此前几百、几十万甚至几十亿年。与此同时,加州大学伯克利分校的竞争对手们,也在用同样的方法进行着同类观测。

接下来事情的进展开始出乎意料。这两队人马都发现,宇宙的膨胀丝毫没有慢下来的迹象,不仅如此,它还在加速!Kirshner曾经的学生Adam Riess和Brian Schmidt,以及伯克利的Saul Perlmutter因此共同分享了2011年的诺贝尔物理学奖。从超新星那里获得的数据显示,在我们宇宙的组成中,还有着某些未知的因素。这些结果同时显示,在宇宙的几何学特点上存在着一些奇怪的特点:我们所知的定宙可能只是许多各不相同、各自独立的宇宙泡中的一个,而且在特定的条件下,它们还会互相影响,甚至互相毁灭。

宇宙的加速膨胀,尽管令人吃惊,但在物理学家的理论知识库那里并不是新鲜事。我们最早可以从爱因斯坦的一个观点中窥见其端倪。这个观点被称为“宇宙学常数”,是爱因斯坦在1917年“发明”的。他用这个常数来“修复”广义相对论的推导结果——一个并非静态的宇宙。在当时,人们掌握的数据似乎能够证明这种静态宇宙的模型。1922年,俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼用最简单的形式证明,在没有宇宙学常数的情况下,宇宙必然会处于膨胀或收缩状态。而当哈勃通过观测发现宇宙在膨胀后,爱因斯坦抛弃了宇宙学常数。但它并未就此消失。

比利时物理学家Georges Lematre认为,宇宙学常数可以通过一种物理学的方式得到解释。这种方式是,假设真空并非空无一物,而是拥有一定的能量密度,与此同时伴随有负压。这个观点乍听起来非常奇怪。我们习惯于认为真空的能量密度为零,因为真空中什么物质也没有。但是若我们假设真空拥有微小的能量密度,并没有什么内在的理由可以让我们否认这种可能。

真空有能量则表明存在负压,这个推论源自狭义相对论。真空不具有内在的静态标准。要在各种条件下都能测得相同的真空能量密度值,真空本身必须拥有等量的负压。

真空负压和引力效应是相斥的,与此同时能量本身也拥有引力相吸效应,因为能量和质量是等价的。但负压在左右、前后、上下三对方向上制造出的相斥效应,是真空能量相吸效应的三倍。相斥效应因而取得了压倒性的主动权。我们管这种真空能量叫“暗能量”,因为它躲在暗处。暗能量是接受程度最高的一种针对宇宙加速膨胀的解释。

通过对超新星等标志物的精确分析,今天的宇宙学家已经能够使用爱因斯坦广义相对论方程和宇宙加速膨胀的速率,测出真空能量的值。最近一次测量结果是每立方厘米7x10^-30克(质能等价)。我们同样可以测出暗能量中压力与能量密度的比例:-1.008 ± 0.068。

这个比例显示,暗能量是如何随着时间的推移而变化的,同时也表明宇宙会如何随之变化。如果把测量中可能存在的误差算进去,这个数值大约相当于-1。如果这个数值确实是-1,那么真空能量会一直保持这个值,直到永远;而每立方厘米7x10^-30克虽然是个很小的数值,但是对于浩瀚的太空而言,其产生的效应是惊人的。它足以导致可观测宇宙的体积每122亿年增加一倍:12481632641282565121024……

而且到目前为止,根据我们所知,这种翻倍将永远进行下去。遥远的星系将因空间的拉伸而离开我们的视线。体积翻过若干倍后,我们和这些星系间的空间拉伸速度将会变得极其之快,以致于连光也无法跨越。遥远的星系将逐渐从我们的视线中暗淡下去,我们将会以为,在我们视线可及的宇宙中,我们是孤独的。

真空能量并不只是一个宇宙学上的概念,它同时也可能引起变化、毁灭和重生。真空能量的值取决于扩散在真空中不同场的值。这些场中有一个叫“希格斯场”,普通物质因它才拥有质量;这个场同时也与一种近年发现的粒子“希格斯粒子”有关。普林斯顿大学的物理学家Nima Arkani-Hamed发现,希格斯场所制造出来的真空状态有一个以10^130年为尺度的稳定期。假如这个场发生衰减,它就会制造出一个能量密度更低的真空泡——一种不同形态的真空。

10^130年极其漫长。我们的宇宙存在至今也不过138亿年时间。但理论的暗示也很迷人。真空能量状态一旦改变,宇宙就会变得像一锅开水。低能真空泡会像水中的气泡一样产生,只不过这是一锅永恒膨胀的暗能量之海。另一个不同之处则是,低能真空泡会以近光速膨胀。

和这样一个泡遭遇,即便是最乐观地来看,也将是毁灭性的。泡中的希格斯场值和外部是不一样的。这意味着我们体内的粒子质量在泡中也将变得不一样,我们的身体无法安全地进入这样一个低能真空泡。泡壁一旦击中我们,我们就会像高速撞上汽车前挡的虫子一样被拍扁。光子没有质量,所以光能穿越泡壁,而我们不能;恰如光能够穿越透明前挡,而虫子无法穿越一样。

泡中的生命也好过不到哪里去。泡中,真空能量大幅跌落,产生了很高的正压。因为压力,引力的相吸效应会主导一切,原有宇宙中的一切稳定结构都会崩溃。地球在泡内很快就会被挤压成一小块,原因就在于真空能量的跌落,导致引力压倒性地增强。

这些泡刚产生时半径可能会非常小,小到只有大约10^-16厘米,比质子还小。泡内的真空会拥有相对巨大的负能量,同时伴随有相对巨大的正压。泡壁内部的压力将会略高于泡壁外部,因此正压会像吹气球一样,推动泡壁向外扩张。在大约10^-26秒内,它的扩张速度就能接近光速。

以此速度,将被击中的我们不会有任何预感。泡壁产生的光信号不会先于泡壁击中我们。此刻,只有加速膨胀的宇宙才能保护我们。

假如这样一个泡出现的地方和我们的距离超过280亿光年,泡壁就永远不会到达地球。这是因为泡和我们之间的空间会以每122亿年翻一番的速度拉伸。狭义相对论认为,我们无法通过坐火箭的方式以比光更快的速度穿越空间,但它并没有说空间本身膨胀的速度不能超过光速。这些遥远的低能真空泡永远也无法跨越不断变宽的空间鸿沟。但是假如这个泡出现在280亿光年以内,那么我们被拍扁也就只是时间问题了。

从统计学上来看,以这样的方式毁灭概率是极低的。它不太会在10^130年内发生,因为这些泡产生的速度非常慢。对于人类来说,有更加现实的威胁。真空泡也许会在明年毁灭我们,但这个概率只有1/10^130。从另一方面来说,这些泡相隔遥远。它们不会像啤酒沫一样充斥所有空间。它们更像是在无限膨胀的香槟酒海洋中随机出现的。

最有意思的事情,其实并不是发生在泡里面,也不在泡外面,而是在泡壁那里。想像你是一个大质量基本粒子,端坐在泡壁的外侧。你可以是一个弱引互作用大质量粒子,也就是假想中的一种暗物质粒子。此时你的质量应该是质子的1000倍左右。随着泡壁的向外推进,你的速度也会越来越快。你会感受到10^34G的推力。宇航员最多只能承受10个G。但作为一个基本粒子,在这种情况下你是牢不可破的。

根据爱因斯坦的等效原理,运动产生的加速和引力引起的加速是一致的。你,这个暗物质粒子,可能会以为自己正坐在一个加速中的玻璃真空泡上,而这个巨大的玻璃行星半径只有10^-16厘米。假如你用牛顿定律,以10^34G的推力和10^-16厘米的半径来推算,你会发现,你的这个玻璃行星的质量大约会是150万吨。

而随着泡的不断变大,你的速度会越来越接近光速,时间在你身上的流逝速度会变得越来越慢,你经过的距离会变得越来越短,与此同时,你的看法也正在一点点改变。随着你越来越接近光速,你会发现,你当前的时间就是泡产生的时间。而且由于长度的压缩,你会发现你其实并没有离开你的出发地点。

听起来很奇怪,但这就是你会在泡壁上体验到的一切。你会认为泡其实是静止的,你会以为自己端坐的这个大质量玻璃行星半径从未发生过变化。

如果端坐在泡壁上的你向外射出一道光,那它将立刻消失在远方。而当你沿着与玻璃行星表面平行的方向射出一道光,它会沿着其表面飞行,就像环绕着它一样;与此同时,膨胀的泡会携带着光束继续向外扩张。假如你向上扔出一个低于光速的球,你还是会因泡壁的推进而赶上它。在泡表面看起来,和在地球表面扔出的球因引力再度落下没什么两样。

以上场景是基于当前我们对物理学规律的认识所作的假想。但Arkani-Hamed认为,在极端高能条件下,可能会产生一些我们不了解的效应。这样的高能状态是我们用大型强子对撞机也无法制造出来的。如果是这样,我们的安全期就可能要比之前的计算结果要长得多。根据斯坦福大学宇宙学家Andrei Linde的说法,我们要在可观测宇宙中发现这样一个低能真空泡,至少还要等1(后面加10^34个零)年。

额外的高能物理效应同样也会改变泡内的条件。如果泡内真空能量要比当前的真空能量低,亦即7x10^-30克/立方厘米,而并非是零,这样的一个泡依然会永远膨胀下去。泡内的正密度要比泡外低,泡内的负压比泡外的负压值要小,因此泡外较大的负压仍会拉动泡壁膨胀。泡壁的推进速度依然会加速到近光速。

但在泡内,生命可能并不会那么痛苦。较低的真空正能量理论上会衰变成粒子。泡内会形成一个自给自足的气泡宇宙。随着泡的永久膨胀,宇宙的体量会无限增长,理论上会形成不计其数的低能“星系”或其它天体。突然间,这个泡听起来已不再那么奇特,而是与某种我们已知的物理学现实相近起来。

1981年,麻省理工学院的物理学家Alan Guth提出了“暴胀”理论,认为宇宙形成之初,曾经经历过一个短暂的特殊时期,在这个时期内,真空的能量非常之高,且拥有非常高的真空负压。在这个宇宙的早期阶段,宇宙在急速膨胀,在以每3 x 10^-38秒一倍的速度扩大。暴胀理论解决了许多物理学上的难题,但同时也有一些自己的问题。哈佛大学的Sidney Coleman表示,这样的真空状态会以产生真空泡的方式衰减,这些真空泡和我们前面提及的非常相似。一个满是低密度真空泡的暴胀之海是高度不统一的,但是我们看到的宇宙在总体上却是均匀的。

但也许我们的宇宙只是一个膨胀的气泡。在泡外,宇宙看起来是统一的,因为我们只能看到属于自己的那个泡,以及先于它存在的那个统一的暴胀之海。若从这个观点出发,我们的宇宙就可能只是高密度暴胀海无数个气泡宇宙中的一个。用流行的话来说,它们就是“多元宇宙”。

气泡宇宙产生过程示意图。

Linde和Andreas Albrecht、Paul Steinhardt等人的独立论文从粒子物理学的角度对此进行了假设,构想了这些气泡多元宇宙出现的场景。这一假设被称为“新暴胀”,解决了Guth暴胀理论中的问题。

同年(1982年),霍金写了一篇论文,阐述了单一气泡暴胀的观点。他认为,一个急速暴胀的气泡可能产生随机的量子波动,这些波动能够被拉伸到大尺度上。具体表现在现实宇宙中就是以星系团为主体,由星系构成的纤维连接起来的海绵状结构。这些结构在大量的大尺度宇宙巡天观测中已被证实,它们就是所谓的宇宙蛛网。

早期宇宙暴胀理论阐述了我们宇宙是如何在138亿年前开始膨胀的,并完美解释了宇宙微波背景中为何会存在微妙的波动。暴胀学说让我们相信,宇宙是从一种非常高能的真空状态中出现的,这种真空状态伴随着等量的负压。暴胀一旦开始,便无法停止。暴胀会永远进行下去,制造出无限多个宇宙。

虽然我们无法看到这些气泡宇宙,但我们有理论的根据,相信它们存在。因为暴胀决定了我们的宇宙不是个一锤子买卖。不过早期宇宙来自于暴胀的最好证据,可能还是我们今天所见宇宙的本身:今天我们宇宙的加速膨胀,可能就是暴胀的一个低配版本。

到这里,我们的故事即将结束。Kirshner对遥远超新星的研究,最终让人们发现了宇宙在真空能量的驱动下,正在加速膨胀。对真空能量的理论探索显示,它能够在宇宙中制造出低能真空泡。而现代暴胀宇宙学说将这两者连在了一起。

暴胀学说提出之时,没有人知道真空中存在正能量和负压。而现在不同了。我们知道这一点,正是因我们生活在其中。也许我们今天所见的一切,一切正在远离我们而去的遥远星系,都来自于百亿年前的一次宇宙重演。也许我们也没有必要猜想,生活在泡中会是什么样子。因为我们所知所见的一切,可能就是答案。

作者:J. Richard Gott,前普林斯顿大学天体物


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