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宇宙的最后三分钟 [:1700906558]
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宇宙的最后三分钟 第十章 暴卒与再生
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迄今为止我总是假定，无论是通过惊天动地的事件，还是悲惨凄凉的形式（或者更确切他说，是通过大危机还是深冻），宇宙末日的来临都是发生在非常遥远的、甚至可能是无限远的未来。假如宇宙会发生坍缩，我们的后裔应当有好几十亿年的时间来警惕这场即将发生的危机。但是，还有另外一种更令人恐惧万分的可能性。
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我已经解释过，当天文学家注视天空的时候，他们并没有看到目前状态的宇宙，天空所显示的图象不同于一幅瞬时拍摄的快照。因为光从遥远的地方到达我们这里要花一定的时间，我们在天空中所见到的任何一个天体都是它在发光瞬间的象。望远镜也是一种望时镜。天体离得越远，我们今天见到的象在时间上就倒退得越早。实际上，天文学家的宇宙是一个穿越时空回溯的像，它的技术用语是“过去光锥”，图 10-1 描述了这种情况。
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图 10-1 一位天文学家从某个时空点 P（例如该点也许就在此刻此地）眺望宇宙。他其实看到的是过去的而不是现在的宇宙。沿着以 P 的顶点的“过去光锥到达的信息用斜线表示。这些斜线代表过去宇宙的遥远区域会聚到地球上的光信号的路径。因为任何信息或物理影响的传播都不可能快于光速，观测者在图示时刻只能知道阴影区内发生的影响或事件。在过去光锥以外某个预示世界末日到来的事件，可能正把它的灾难性影响（波浪线）飞快地向地球传来，而观测者在这些影响到达之前应当对这个事件一无所知，这也可以算是一种幸运。
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根据相对论，任何信息或物理影响都不能传播得比光更快。因此，过去光锥所划定的不仅是有关宇宙一切知识的界限，而且也是在这一瞬间有可能对我们产生影响的所有事件的界限。由此可见，任何以光速向我们逼近的物理影响在到达之前是完全无法预防的。如果大灾难沿着过去光锥朝着我们迎面而来，那么死神的降临就不会有任何的先兆。只是当它袭击到我们的时候，我们才刚刚知晓。
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举一个简单的假设性例子。要是太阳现在爆炸了，我们要在 8 分半钟以后才会知道这个事实，这就是光从太阳到达我们所花的时间。同样，附近的一颗恒星完全可能已发生超新星爆发，这种事件可以使地球完全笼罩在致命的辐射之中。但是，在这个可怕的消息以光速穿越银河系疾驰而来的过程中，我们还会在好几年的时间内对这个事实一无所知，这也可以算是一种幸运。所以，虽然此时此刻宇宙也许看上去平安无事，但我们不能肯定是否已经发生了某种真正令人恐怖的事件。
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宇宙中大多数突发性剧变所造成的危险只局限于事件发生地的附近区域。恒星的死亡或物质陷入黑洞会对行星和附近的恒星起破坏作用，其影响范围也许有几个光年。最壮观的爆发看来就是那些发生在某种星系核中的事件。正如我已描绘过的那样，巨大的物质喷流有时会以接近光的速度向外抛出，同时发射出大量的辐射。这是星系尺度上的剧变。
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那么宇宙尺度的破坏事件又如何呢？比方说，在生命存在期间是否会出现一个一下子就毁灭整个宇宙的灾难呢？一场真正的宇宙大灾难会不会已经触发，它那令人胆战心惊的效应，甚至现在就已沿着我们的过去光锥朝我们脆弱的时空区域席卷而来呢？
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1980年，物理学家西德尼·科尔曼( Sidney Coleman )和弗兰克·德卢西亚( Frank De Luccia )发表了一篇新奇的文章，它以平淡无奇的标题“引力效应和真空衰变”刊登在《物理评论》杂志上。他们所指的真空不仅仅是空无一物的空间，而且是量子物理的真空态。在第三章中我已经解释过，在我们看来也许是空无一物的真空，实际上怎样沸腾着极短暂的量子活动，幽灵般的虚粒子出现、传播又再次消失，就像是一场随便闹着玩的游戏。前面已经提到过，这种真空状态也许不是唯一的，可以存在多种量子状态，每一种看上去都像是空无一物，但却不同程度地经历着量子活动，与此相联系的就有不同的能量。
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高能态往往要向低能态衰变，这是量子物理学中一条完全确证的原理。例如，一个原子可以取一定范围内的若干种激发态，但这些激发态都是不稳定的，原子会力图向最低能态即“基”态衰变，这个基态才是稳定的。同样，一种激发真空态也会力图向最低能态即“真”真空态衰变。暴胀宇宙演化图象所依据的理论是，宇宙从一种激发真空态或“伪”真空态开始，在伪真空态期间，它疯狂地暴胀，但经过一段极为短暂的时间，这种状态便衰变成真真空，暴胀也就停止了。
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目前通常假定，宇宙的现有状态对应着真真空态，这就是说，是所有可能的能态中今天的空间是最低能量的真空态。但是，对于这一点我们有把握吗？科尔曼和德卢西亚考虑了一种令人恐惧的可能性，即现在的真空态实际上也许不是“真”真空，而是一种有相当长寿命的亚稳态，这也就是另一种伪真空，它一直在以一种伪装的安全感哄骗我们，因为它已经延续了几十亿年。我们知道许多量子系统，如铀核，它的半衰期为几十亿年。能够想象现在的真空态会属于这一类型吗？科尔曼和德卢西亚在文章中所提到的真空“衰变”涉及到一场大灾难的可能性，即现在的真空态也许会突然终止，把宇宙扔进一个更小更低的能态，同时给我们（以及所有别的事物）带来悲惨的结局。
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图 10-2 隧道效应 如果粒子陷入两座小山间的谷地中，它有很小的概率能通过借贷能量越过小山逃出去。实际上，这是在观察穿越势垒的隧道效应。一种熟悉的情况是某些元素原子核中的 α 粒子通过隧道效应穿越核力势垒并飞离原子核，这种现象称为 α 放射性。在这个例子中，“小山”由核力及电力产生，这里画的只是示意图。
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科尔曼和德卢西亚假设的关键是量子隧道效应这种现象。量子粒子被力的势垒所俘获的那种简单情况可以对上述效应作出最好的说明。假设这个粒子位于一个小山谷中，它被两侧的小山所束缚，图 10·2 说明了这种情况。当然，这不一定是真实的小山，例如它们可以是电子场或核力场，在没有取得越过小山（即克服力势垒）所必须的能量时，这个粒子看来会永远困在谷底。但是要记住，所有的量子粒子都服从海森伯不确定原理，它可以在很短的时间内“借贷”到能量。这就开辟了一种很有趣的可能性。如果这个粒子能够借到足够的能量以到达山顶，并在它必须偿还这份能量之前翻到山的另一侧，那么粒子就可以逃出这个陷阱了。实际上，它会借助隧道穿过势垒，好像它根本就没有在那里呆过一样。
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量子粒子“泄出”这类势阱的概率非常灵敏地取决于势垒的高度和宽度。势垒越高，粒子为达到山顶所必须借到的能量也越大。还有，根据不确定原理，借贷期也必须越短。因此，对于高势垒，只有当它们同时又是薄势垒时才能利用隧道效应，这样粒子才能很快地穿过它们，以便拒绝按时还清借来的能量。出于这个原因，在日常生活中隧道效应并不引人注意。要能出现有效的隧道作用，“每天”的势垒实在是太高也太宽了。原则上说，人类可以步行穿过砖墙，但出现这种奇迹的量子隧道作用概率极其微小。然而在原子尺度上，隧道作用很普遍。例如， α 放射性正是通过这种机制出现的： α 粒子从力图捕获它们的原子核中泄漏出来。隧道效应也被应用在半导体和其他一些电子产品上，如隧道二极管。
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图 10-3 伪真空态和真真空态 也许有这样的情况：空间 A 现在所处的量子态不是最低能态，但尽管如此它还是准稳的，因为它对应着某种位置比较高的山谷。因此，应当存在极小的概率可以使这种量子态借助隧道效应衰变到真正稳定的基态 B 。这两种状态间的跃迁是通过宇宙泡的成核作用而出现的，并会释放出巨大的能量。
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现在回到有关真空衰变的问题上来。科尔曼和德卢西亚推测，组成真空的量子场也许会经受像图 10-3 所表示的那种力场的作用（这里是一种比喻）。现在的真空态对应着从谷底 A 。但是，真真空对应着谷底 B ，它比 A 还要低。真空要想从较高的能态 A 向较低的能态 B 衰变，但是使 A 和 B 隔离开来的那座小山把它挡住了（注意：这些小山和山谷代表了力和场的配置——它们同实际空间中的特征并不一一对应）。现在，虽然小山妨碍了衰变，但考虑到隧道效应的话，它并没有完全阻止衰变的发生：系统可以借助隧道从谷 A 穿到谷 B 。发生这种现象所需的时间将取决于这种跃迁的概率有多大。上面已经解释过，这种概率对小山的高度和宽度十分敏感。这两个量的数值完全有可能造成这样的情况：也许要经过几十亿年后跃迁才会突然发生。在这种情况下，宇宙也许正生存在借来的时间上，挂在谷 A 的上方，但它会有一定的机会在某个任意时刻借助隧道进入谷 B 。
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科尔曼和德卢西亚用数学方法对真空衰变进行了模拟，以找到这种现象出现的方式。他们发现，衰变开始出现时的空间位置是随机的，它表现为一个“真”真空小泡，四周被不稳定的“伪”真空所包围。这个小泡一旦成核，就很快地膨胀，膨胀速度迅速趋近光速。越来越大的伪真空区域被它所吞没，同时转变成真真空。在第三章中我曾讨论过，这两种状态的能量差也许会达到非常大的程度，它集中在泡壁上，并扫过整个宇宙，同时也把它在前进道路上所遇到的一切事物统统毁灭掉。
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只有当泡壁出现，而我们这个世界的量子结构突然发生改变时，我们才会知道真空泡的存在。我们甚至没有 3 分钟的预警时间。顷刻之间，所有亚原子粒子的性质以及它们的相互作用会发生剧烈的变化。例如，质子也许会在瞬息之间发生衰变，在这种情况下，一切物质都会突然蒸发。那时，留下来的东西会发现自己处于真真空泡的内部，事物的这种状态与我们现在所观察到的情况大不相同。最重要的差别与引力有关。科尔曼和德卢西亚发现，较低真空态的能量和压力会产生一种强大的引力场，它使泡内的区域会在不到 1 微秒的时间内坍缩。这一次，从容不迫地向大危机收缩的情景不见了，相反的是，随着泡的内部突然暴缩成一个时空奇点，一切东西几乎立即湮没。总之，这是一场瞬息之间出现的灾难。“这是很令人泄气的”，两位作者巧妙而又谨慎地评论道，“我们正生活在一个伪真空中的可能性从来都不是我们所期待的、令人欢快的事情。真空衰变是最终的生态大灾难……在真空衰变后，不仅我们所知道的生命不可能存在，而且我们所认识的化学过程也不可能出现。但是，过去人们始终以为随着时间的流逝也许新的真空会维持某种东西井能够从这种可能性中获得一丝淡泊的安慰——即使那时的生命不是我们现在所认识的生命，那么至少也是懂得乐趣的某种组织，但现在连这种可能性也已被排除了。”
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科尔曼和德卢西亚的论文发表后，骇人听闻的真空衰变成了物理学家和天文学家广为讨论的议题。通过对粒子物理学最新思想的深入研究，迈克尔·特纳( MichaeI Turner )和弗兰克·威尔扎克( Frank Wilczek )得出了一个启示式的结论：“因此从微观物理学的观点来看，完全可以想象我们的真空是亚稳态的……真真空泡会在毫无预兆的情况下在宇宙的某个地方成核，并以光速向外运动。”
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特纳和威尔扎克的论文在《自然》杂志上发表后不久，皮特·赫特 ( Piet Hut )和马丁·里斯( Martin Rees )唤醒了一个可怕的幽灵：一个使宇宙遭到破坏的真空泡得以成核也许是被粒子物理学家本身在无意之中所触发的！问题在于，亚原子粒子的甚高能碰撞有可能仅在一瞬间内，就会在一个非常小的空间区域中创造出促使真空发生衰变的一些条件。一旦这种跃迁发生，哪怕是发生在微观尺度上，也无法阻止新形成的真空泡在瞬息内膨胀到天文尺度。是否我们应查禁下一代粒子加速器呢？
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