希格斯場的強度是穩定的值嗎?

2019-11-05     量子科學論

我們小時候最擅長的就是搞破壞,拆家裡的收音機、手錶,看看裡面都有啥!拆不下來東西我們也有一萬種方法弄壞這些東西,總之沒啥能阻止我們的好奇心,即使是事後會挨一頓暴揍。所以今天我們就在大尺度上搞一件驚天動地的事:從賦予基本粒子質量的希格斯場和創造宇宙超高能量來嘗試一下毀滅整個宇宙!是不是想想都有些興奮。

那我們先從地球說起

在宇宙中對於一個中等大小的物質團塊地球來說,宇宙有許多種自然的方法來毀滅地球。如果我們讓地球足夠接近一個恆星或者大黑洞,地球就會被撕裂和吞噬。

如果地球離一顆超新星太近,不僅表面會被烤焦,而且整個世界可能會在超新星爆炸的方向被炸成很小的碎片。

或者,你是那種動手能力很強的人,你可以把一顆反物質小行星運到地球的核心,物質/反物質湮滅產生的能量,足以把整個星球炸成一堆分離的碎石。

這只不過是一顆行星而已,要知道在宇宙中至少有數千億個星系,每個星系中就有數十億到上萬億顆恆星和行星。如果我們想毀滅一切呢?

希格斯場可能處在亞穩定狀態

關於希格斯場如何賦予基本粒子質量,大家可以通過頭條APP搜索「宇宙質量的起源」,裡面有很多詳細的解讀!

史蒂芬·霍金之前提出了一種設想,即希格斯場(負責給宇宙中所有基本粒子提供靜止質量的場)可能處在一個不穩定的狀態,會自發地從目前的亞穩態過渡到真正的基態,並在此過程中宇宙有可能會被摧毀。這是怎麼回事呢?我們先來解釋一下希格斯場是如何工作的。

想像一下,在一個山峰的山頂上有一個小球,這個小球向任何方向移動任何距離都會滾下山頂。也就是說小球從山頂上開始往下滾動的時候,方向是完全隨機的,所以落在哪個山谷也完全是隨機的。開始滾動的任何方向都會讓小球落到一個山谷里,但在某些方向上,小球所處的山谷海拔比其他的地方或低或高。除非小球一步到位直接滾到了最低點的山谷(基態),不過這種情況發生的機率非常低,就像你從山上扔個小球,能滾到山低的幾率也很低,肯定會被卡在半山腰的某處。

有一種潛在的可能性描述了希格斯場看起來就像上圖中這個上巒起伏的照片,希格斯場和我們觀察的粒子質量,目前就處在其中一個亞穩態山谷:一個海拔值低於周邊地區,但在總體狀態中不是最低的值,也就是說沒有在絕對最低的山谷(沒有在基態)。在下圖中,一個滾下山坡的小球,它會隨機一直穩定的停在任何地方,因為這是一個經典的宏觀系統。但希格斯場以及整個宇宙是一個量子系統,這意味著,在任何給定的時間,宇宙中希格斯場的值都有可能通過量子隧道效應進入一個更低、更穩定的山谷。

這就是霍金所描述的情況,儘管這種情況發生的機率非常非常小,但也是有可能發生的,如果這就是我們宇宙的樣子,以上描述的情況就可以在任何給定的時間內發生。

這種情況真的能描述我們的宇宙嗎?如果這條通往低能量狀態的轉變發生了,我們的宇宙會發生什麼?宇宙真的會被摧毀嗎?或者說轉變發生的變化可以讓宇宙保持完整,只是和以前略有不同?

首先,關於希格斯場目前處於亞穩態的說法很有爭議。雖然我們最好的理論表明玻色子在能量超過10^11 GeV (GeV是將電子從靜止加速到10億伏特所需的能量)時可能會變得不穩定,但這些都是基於對玻色子的質量測量,如Z 玻色子w玻色子以及頂夸克,這些玻色子仍然有很大的不確定性。在測量的不確定性中,希格斯玻色子被證明可能是穩定的,這意味著希格斯場可能已經處於谷底了。此外,我們有充分的理由相信漸近安全理論準確的描述了引力,因此也預測了希格斯玻色子的質量是一個完全穩定的值,並且與我們的觀測一致。如果是這樣的話,那麼希格斯粒子就不是亞穩態,霍金設想的整個問題就沒有意義。

第二,如果希格斯場確實處在亞穩定狀態,並且在宇宙中的某個地方已經過渡到了更穩定的狀態,會發生什麼?首先這種情況應該不會發生在地球上,或者是我們的高能粒子對撞機里,而很可能發生在超新星、活躍的星系核心或超大質量黑洞附近。因為這些區域都是宇宙中能量最高的地方(大約是10^10 GeV或更高),很有可能會經歷量子隧穿效應。相比之下,LHC獲得的最高能量只有10^4 GeV左右,這意味著在希格斯場的強度在地球上發生轉變的幾率要低得多。

如果這種轉變發生了,物理定律就會立即改變,粒子的質量、相互作用的強度和原子的大小等性質也會在希格斯場達到較低值的瞬間發生變化。此外,這種轉變會以光速向外傳播,希格斯場的低值將開始接管整個宇宙。這對我們來說既有好處也有壞處。

  • 壞處是:我們永遠無法提前預見這種轉變的到來;因為宇宙中所有可觀測到的信號傳播速度都不會快於光在真空中的傳播速度,所以如果希格斯場強度的轉變以光速傳播,那麼在轉變覆蓋我們之前,我們無法提前接收到任何信號。
  • 好處是:因為宇宙正在加速膨脹,這意味著(97%的可觀測宇宙)以光速傳播的信號永遠不會到達地球。所以即使這種轉變已經發生在宇宙的某個地方,也不太可能影響到我們。

最後,如果宇宙只是亞穩態向穩定態發生了輕微的轉變,那麼物理定律的變化,原子的大小等等,可能變化也會非常小,小到只有通過實驗手段才能檢驗到,並不會破壞、影響任何東西,這種輕微的變化只是賦予了基本粒子略微不同的性質而已。所以儘管這可能是一種毀滅宇宙的方式,但可能性很小很小,即使它真的發生了,也可能不會影響到我們。

創造宇宙最高能量,重啟宇宙暴漲階段

如果我們想毀滅宇宙,最明智的選擇是依靠宇宙膨脹,我們知道宇宙之所以存在,唯一的原因就是因為宇宙暴漲並沒有一直持續。如果我們能創造一個新的暴漲時期,隨之而來的宇宙超高速膨脹,以及空間本身不可思議的強大能量,不僅會把星系,而且會把太陽系、人、細胞、分子、甚至單個原子撕裂。

那我們要怎樣才能重新啟動宇宙暴漲呢?

暴漲是在我們的宇宙充滿物質和輻射之前存在的狀態,也就是在大爆炸之前。大爆炸時所有的物質和輻射能量都來自某個階段,而暴漲理論告訴我們熱大爆炸的狀態來自於空間本身固有的能量。現在空間本身的固有能量比暴漲時期小了10^31倍。

所以,如果我們能夠再次獲得宇宙初始時期的超高能量(這種能量遠遠高於宇宙中任何已知的能量來源),我們或許能夠恢復宇宙的暴漲狀態,摧毀宇宙中的一切。

所需要做的就是用10^15到10^19 GeV之間的能量來製造超高能量的碰撞。雖然這在目前的技術條件下是無法實現,但在理論中我們可以創造出這樣的能量 。因為我們知道如何在一個環形加速器中以相反的方向加速粒子/反粒子,而且還知道,磁場越大,環形跑道的半徑越大,粒子的運動速度越快,獲得的能量就越高。

費米實驗室的加速器實現了每個粒子約10^3 GeV的能量,在此原理下,粒子-反粒子碰撞過程中釋放了2×10^3 GeV的能量,而LHC每個粒子約為7×10^3 GeV,每次碰撞釋放1.4×10^4 GeV的能量。

所以如果我們想要達到每個粒子10^19 ev的能量,就需要建造一台和LHC完全一樣的機器,但需要一個半徑為5.9×10^14千米的環形跑道。這個跑道的大小相當於地球繞太陽公轉軌道的400萬倍。這就是一台可以毀滅宇宙的粒子加速器,其釋放的能量足以和宇宙暴漲時期相媲美!

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/o1hRO24BMH2_cNUgLyTC.html