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这个宇宙是根本不稳定的吗？

2022-10-13 11:37阅读：

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这个宇宙是根本不稳定的吗？
空的真空本身量子真空可能是要么处于一个真的稳定状态要么可能处于一个伪的不稳定状态。我们的命运依靠这个答案。
STARTS WITH A BANG — OCTOBER 11, 2022
Ethan Siegel
这个宇宙是根本不稳定的吗？

在一个真空衰变场景中，我们的宇宙存在于一个伪的最小状态中，而它有可能要么通过量子隧穿要么一个高能量踢造成我们来离开这个状态，进入一个真正的（或更真实的）真空状态。如果这发生在任何地方，每一个被束缚结构从质子向上都将被在一个“破坏的泡泡”以光速向外传播中摧毁。(Credit: Darkspace.net forums)
关键要点
对我们宇宙的长期命运没有什么比量子真空的稳定性更重要的问题，特别是鉴于暗能量的存在。

如果暗能量固有的稳定的，那么暗能量能维持它的当前的值，而物理的法则能仍然同一的进入任意遥远的将来；我们的命运将是一个最终的热死。
但如果它是不稳定的，那么量子真空可能衰变成一个更稳定的低能量的状态。如果这发生，我们的宇宙将从根本上变化，而我们的终结将是迅速的、残酷的和可怕的。
关于这个宇宙的某些更好或更糟的属特我们都认为是理所当然的。我们假设物理的法则在空间中的其他位置和时间中的其他时刻就像它们在此时此地一样是同一的。相关我们的宇宙的各种物理属性的基本常数被假设在每个时间和地点真的占有同一的常数值。宇宙似乎与这些假设相一致的事实------至少对我们观察的限制-------似乎来支持这一观点，把大的约束放在这些显示的不同方面已经演变了多少是可能的。
无论何时何地我们能够测量或推断这个宇宙的基本物理属性，它似乎随着时间或空间不变化的：对每个人它们是一样的。但更早起，这个宇宙经历了过渡：从更高能量态到更低能量态。在这些高能条件下自发的发生了的一些条件在低能量下可能不能再坚持，让它们表现不稳定的。不稳定状态都有共同的一件事：它们衰变。在一个所有最可怕的认识中，我们已经了解到我们宇宙的织造本身可能本身固有的也是那些不稳定东西的之一。这里是我们今天知道的，关于我们的持续生存是多不稳定的。
这个宇宙是根本不稳定的吗？

每一颗环绕一颗恒星的行星都有五个它们共同围绕它环绕的位置拉格朗日点，一个精确位于L1、L2、L3、L4或L5处的天体将继续以与地球做的一样完全相同的周期环绕太阳，这意味着地球-航天器的距离将是恒定的。L1、L2和L3是不稳定的平衡点，对保持一个航天器定位在那里要求定期的航线修正，而L4和L5是稳定的。例如，詹姆斯韦伯望远镜成功的将它自己插入了L2轨道中，为冷却目的一定始终面离开太阳。(Credit: NASA)
在任何物理系统中------也就是一个经由一种或多种力相互作用的粒子组成的系统------至少有一种来比其他任何来做它的方法都更稳定的方法。这就是我们叫一个系统的最低能量状态或基态的。
行星组织它们自己成一个球体形状，代表流体静力平衡，以更密的元素朝向中心和更不密的元素朝向外围。随着时间它们也倾向朝向更稳定的状态，因为每一次大地震改变地球的质量的分布，造成它的旋转加速起来为一个副作用。
恒星系统中的行星典型的把它们自己组织成共振的、近圆形的轨道，因为它们的相互引力影响随着时间 “烫平掉”不完美，有时以引力上甩出一个或多个成员为代价。
放置在一个丘陵表面上的球将往往会向下滚到下面的山谷中，在底部来到一个静止：在它们的初始条件是它们来达到的最低高度。
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当我们看到某些像一个球小心的在山顶上平衡了时，这似乎就是我们叫的一个精细调整的状态，或者一种不稳定的平衡状态。对球一个远更稳定的位置是在山谷底部的某个地方。每当我们遇到一个精细调整的物理情况，有好的理由来寻求一个它的物理动机的解释，当我们有在它们上有伪的最小值的丘陵时，被陷入一个而没有达到“真的”最小值是有可能的。(Credit: L. Albarez-Gaume & J. Ellis, Nature Physics, 2011)
只是最后一个例子对它有一个缺陷：有时，如果你的条件不是精确的正确的，你的球不会终结在可能的最低能量状态。相反，它能滚到一个比它开始的地方仍更低的山谷，但这并不代表这个系统的真正基态。对很多物理系统这种状态能自然的发生，我们通常考虑宛如这个系统以某种伪最小值“挂起来”了。即便它在基态或在它的真最小值下会是能量上稳定的，它不一定靠它自己能到达那里。
当你被困在一个伪最小值中时你能做什么呢？
如果你是一个经典的系统，唯一的解决方案是西西弗斯式的：你不得不向你的系统输入足够的能量------不管它是否是动能、化学能、电能等等------来“踢”那个系统从伪最小值出来。如果你能克服下一个能量障碍，你有最终在一个甚至更稳定的状态中的机会：一种让你下到更接近并甚至可能一路到基态的状态。只有在真正的基态中来过渡到一个更低的能量状态是不可能的。
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如果你画出任何势能，它将有一个轮廓其中至少一个点对应于最低能量或“真正的真空”状态。如果在任何一点上有一个伪的最小值，那能被考虑为是一个伪真空。在古典世界中，你必须克服约束你的“山丘”或障碍到另外的来到达伪最小地方。但是，假设这是一个量子场，直接的从伪真空到真的真空状态来量子隧穿是有可能的。(Credit: Stannered/Wikimedia Commons)
这对一个经典系统是真的的。但这个宇宙本质上并不是纯粹的经典的，而是我们生活在一个量子宇宙中。固有的量子系统不仅经历与经典系统一样类型的重新组织------其中输入能量能踢它们从不稳定的平衡态出去------而且它们还有另一个它们受到的影响：量子隧穿。
量子隧穿是一种概率的冒险，但一个不要求你可能认为来克服那个保持你处于不稳定的平衡状态中的障碍的“激活能量”。相反，依赖于像你的场离真正的平衡状态多远和正在阻止你离开你困在的伪最低障碍有多高的特征，有一定的概率，你能自发的离开你的不稳定的平衡状态并发现你自己突然在一个更稳定（甚至是真正的）你的量子系统的最低中。
与纯粹经典的情况不同，这能自发地发生，不需要外部的、能量的影响或动力。
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这个量子隧穿的一般说明假设有一个高的、薄的、但有限的势垒将x轴一侧的量子波函数与另一侧隔开。虽然大多数波函数以及它所代理的场/粒子的概率反映并仍然在最初的一边，但有一个隧穿到势垒的另一边的有限的、非零的概率。(Credit: Yuvalr/Wikimedia Commons)
一些常见的量子系统展示隧穿涉及原子及其组成粒子的例子。
例如原子内的电子往往发现它们自己处于一个激发态：在那里它们处于一个非基态的更高的能级中。往往，这是因为其他电子处于那些低能量状态；如果它们都被占据，那么这个电子处于它的最低能量配置。有时，在那些低能状态中有“孔”，那些更高能电子将自发地向下级联，在这个过程中发射能量。但其他时候------由于像自旋轨道相互作用或超精细分裂的飘忽效应------有一个更稳定的状态，但自发路径被量子力学的规则禁止。然而，你仍然能离开不稳定的平衡态并经由量子隧穿到达基态：著名的21厘米氢线的来源
由质子和中子组成的原子核始终对组成该原子核的任何独特数量的质子和中子有一个最稳定的结构。然而，对非常重的原子核，有时如果它的一个中子放射性衰变了或者如果它发射了一个氦-4核（有2个质子和2个中子）并然后重新配置它自己成一个新的排列原子核会是更稳定的。这些固有概率的量子衰变也会自发的从一个不太稳定的状态到一个更稳定的状态。
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重的、不稳定的元素将放射性衰变，通常通过发射要么一个阿尔法粒子（氦核）或通过经历贝达衰变，如这里所示一个中子转化为一个质子、电子和反电子中微子。这两种类型的衰变都改变这个元素的原子序数，产生一种不同于原始元素的新元素，并造成比反应物更低的产物的质量。这些量子过渡是自发的但本质上是概率的和不可预测的，但总是让整个系统进入一个更稳定、更低能量的整体状态。(Credit: Inductiveload/Wikimedia Commons)
你知道最终的量子系统是什么吗？
空的空间本身。空的空间------甚至没有任何粒子、量子或外部场存在------对它仍然出现有一个非零量的固有能量。这通过观察到的暗能量效应证明它自己，即使它对应于一个非常小的几乎不超过每立方米空间中一个质子的能量的能量密度，这仍然是一个正的、有限的、非零的值。
我们也知道无论你从空间的任何特定区域移除多少，你不能摆脱描述宇宙固有的相互作用和力的基本量子场。就像你不用物理定律不能有“空间”一样，由于（至少）标准模型的力你不能有一个没有量子场存在的区域。
长期以来一直假设了尽管它是不能验证的，因为我们确实不知道如何计算真空空间固有的能量------量子场理论家叫真空期望值的------以任何不会产生完全无意义的方式它可能的都只是抵消掉。但暗能量的测量以及它影响宇宙的膨胀并且一定有一个正的，非零的值告诉我们它不能全抵消掉。渗透所有空间的量子场给量子真空一个正的、非零的值。
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甚至在没有质量、没有电荷、没有弯曲空间和任何外部场的空的空间中，自然定律和支撑它们的量子场仍然存在。如果你计算最低能量状态，你可能会发现它不是完全的零；这个宇宙的零点（或真空）能量似乎是正的和有限的，虽然很小。我们确实不知道是否这是一个真正的真空状态。(Credit: Derek Leinweber)
现在，这里有一个大的问题：我们今天正在测量的暗能量的值，就是这个宇宙认可为量子真空对空间的能量密度贡献的它的“真正最小值”吗？
如果是这样，那么伟大的：这个宇宙将永远永远稳定，因为对它没有更低能量状态来从来量子隧道进入。
但如果我们不是在一个真正的最低中，在那里有一个真正的最小，实际上代表一个比我们目前发现我们自己（和整个宇宙）处在中的更稳定、低能量的结构，那么总有一个我们将最终量子隧道进入那个真正的真空状态的概率。
不幸的是后一种选择并不如此伟大的。请记住，宇宙的真空状态取决于支撑我们宇宙的基本定律、量子和常数。如果我们自发地从我们的当前的真空状态过渡到一个不同的、更低能量的状态，这不是仅空间现在会呈现一个不同的结构。事实上，必需的我们必须至少有一种：
另一套不同的物理定律，
可能发生的一组不同的量子相互作用，
和/或一组不同的基本常数。
如果这种变化来自发发生，接下来发生的将是一场终结宇宙的灾难。
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在遥远的将来，可以想象量子真空将从它当前的状态衰变到一个更低能量、更稳定的状态。如果发生这样一个事件，宇宙中的每一个质子、中子、原子和其他复合结构都会在一个显著破坏性的事件中自发地毁灭它自己，它的影响会以光速在一个球体中传播并向外涟漪。这种“破坏的泡泡”直到它到来之前会是不引人注意的。(Credit: geralt/Pixabay)
无论在哪里量子真空从这种伪真空状态过渡到真正的真空状态，我们认识到的为一个量子束缚状态的------比如质子和中子、原子核、原子以及它们构成的一切一样的东西------都会立即的被摧毁。因为构成现实的基本粒子按照这些新规则重新排列它们自己，从分子到行星到恒星到星系的一切都将没有做成来的，包括人类存在物和任何生物体。
不用知道真正的真空状态是什么和我们目前的的这些新的定律、相互作用和常数将被什么取代，我们没有来预测什么样的新结构会浮现的方法。但我们能知道不仅我们今天看到的的将停止来存在，而且无论这种过渡发生在哪里，它都会以光速向外传播，随它以一个巨大的破坏泡泡膨胀 “感染”空间。甚至对宇宙扩张和甚至对由于暗能量扩张加速，如果一个真空衰变事件如一个设想发生在目前我们的180亿光年内它最终会到达我们，当它做了时以光速在一个《捉鬼敢死队》事件摧毁每一个原子。
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