真空衰變:高能級量子躍遷過程-中文百科頻道

理論基礎

量子理論的基本原則是沃納·海森堡(Werner Heisenberg)的測不準原理。根據這一原理，量子物體的所有屬性都不具有完全确定的值。例如，一個光子或一個電子不可能同時具有确定的位置和确定的動量。對一确定的時刻，它也不可能有确定的能量。這裡我們關心的是能量不确定性。盡管在宏觀世界裡能量是守恒的（它既不能創造也不會消失），但是在亞原子量子領域裡這個定律就失效了。能量可随時自發出現無法預言的變化。所考慮的時間間隔越短，這種量子随機漲落就越大。

實際上，粒子可以從我們不知道的某個地方借來能量，隻要這份能量馬上歸還就行。海森伯測不準原理的準确數學形式要求大宗的能量借貸必須很快歸還，而少量的借貸則可保留較長的時間。

能量的不确定性會引出一些奇怪的效應，諸如光子那樣的粒子可以突然從虛無中生成，不過過後它又馬上再度消失，出現這種現象的概率便是上述奇怪效應中的一種。這種粒子依靠借來的能量，因而也是依靠借來的時間得以生存。我們看不到它們是因為它們隻是閃電般地一現即沒，但是又确實在原子系統的特性中留下它們曾存在過的痕迹，而這些痕迹是可以測量的。

事實上，通常認為的真空确實充滿着川流不息的一群群這類瞬時存在的粒子，它們不僅有光子，還有電子、質子相别的所有粒子。為了把這種瞬時粒子與我們比較熟悉的永久粒子相區别，前者稱為“虛”粒子，而後者則稱為“實”粒子。

除瞬時性外，虛粒子與實粒子是完全相同的。實際上，如果用某種方法從外界補充足夠的能量償還海森伯能量借貸的話，那麼虛粒子就有可能升格為實粒子，而且與其他同種實粒子沒有任何區别。例如，一個虛電子在典型情況下隻能存在大約10^-21秒。在它短促的生存期中，虛電子并非靜止不動，它在消失之前可以走過10^-11厘米的距離（作為比較，原子的直徑約為10^-8厘米）。如果這個虛電子在這麼短的時間内得到能量（譬如說從電磁場），它就未必會消失，而是可以作為一個完全普通的電子繼續存在。

盡管看不見這些虛粒子，但它們實實在在存在于真空之中。這不僅因為真空包含一個潛在的永久性粒子庫，還因為盡管它們以半真半虛的形式出現，這些幽靈般的量子實體依然會留下它們的活動痕迹，而且可以探測到。例如虛光子的效應之一是使原子的能級發生極少量的偏移。它們也能使電子磁矩發生同樣細微的變化。這些細微然而卻很重要的變化已用光譜技術精确地測量到。

考慮到亞原子粒子一般不自由移動，但要受到各種與粒子種類有關的力的作用，對上述簡單的量子真空圖象要作些修正。這種種力也在相應的虛粒子之間發生作用。因此，也許存在不止一種真空态。許多可能的“量子态”的存在是量子物理的普遍特征。最為熟知的是原子的各種能級。

這裡，一個繞原子核轉動的電子可以有某些非常确定的能态，而這些能态又對應着确定的能量。最低的能級稱為基态，它是穩定的。較高的能級稱為激發态，它們是不穩定的。如果一個電子闖入一個較高的能态，它會向下躍遷返回基态，而躍遷的途徑可以不止一種。這種激發态有很确定的“衰變”半衰期。

真僞

類似的原理适用于真空。它可以有一種或多種激發态。這些激發态有各不相同的能量，不過它們的實際表象完全相同，即都是真空。最低的能态，也就是基态，有時稱為“真”真空，以反映它是穩定态這一事實，大體上對應今天宇宙的真空區域。激發真空則稱為“僞”真空态。

應當說，僞真空态仍然是一種純理論的觀念，其性質在很大程度上取決于所用的特定理論。但是，僞真空态很自然地出現在現今所有試圖統一各種自然力的理論中。強力。這份清單過去還要長些。例如，電和磁就曾被看作是截然不同的東西。

電與磁的統一過程開始于19世紀初。當時，漢斯·克裡斯琴·奧斯特(HansChristian Oersted)發現電流産生磁場，而邁克爾·法拉第(Michel Faraday)則發現運動的磁鐵會産生電流。很清楚，電與磁是有内在聯系的。但是，直到19世紀50年代，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)才指示了這種聯系的細節。

麥克斯韋通過一組數學方程精确描述這些“電磁”現象，并預言電磁波的存在。不久，人們便意識到光也是這種波的一個例子，而且還應當存在其他形式的波，如射電波和X射線。因此，表面上兩種不同的自然力——電力和磁力——原來是單一電磁力的兩種表現，它有着自身特有的一些現象。

幾十年來，這種統一過程有了更深入的發展。根據認識，電磁力和弱核力是有聯系的，是單一“電弱”力的組成部分。許多物理學家相信、作為所謂大統一理論的一部分，将來也會證明強力與電弱力有聯系。不僅如此，所有4種力可能在某種足夠深的層次上合成為單一的超力。

企圖統一電弱力和強力的一些大統一理論預言了一種最有前途的暴脹力。這些理論的一個關鍵特征是，僞真空态的能量大得驚人：典型情況是，1立方厘米的空間含有10^87焦耳的能量！甚至一個原子的體積也會擁有10^62焦耳的能量。一個受激原子卻隻具有10^-18焦耳左右的能量，兩者相比，後者簡直是微乎其微。因此，要激發真空，需要極大的能量，而在今天的宇宙中我們不企望會找到這種狀态。另一方面，一旦有了大爆炸的極端條件，這些數字就比較說得通了。

與僞真空聯系在一起的巨大能量具有強大的引力效應。這是因為能量具有質量，這一點愛因斯坦已經為我們指出了，所以它可以像正常物質一樣受引力吸引。量子真空的巨大能量擁有巨大的吸引力：1立方厘米僞真空的質量重達10^64噸，這比今天整個可觀測宇宙的質量（約10^48）還大！這種異常的引力對暴脹的産生毫無用處，後者要求某種反引力過程。但是，巨大的僞真空能量是和同等巨大的僞真空壓力聯系在一起的，而正是這種壓力起着奇妙的作用。

通常，我們并不把壓力看作為引力源，但這種壓力卻是一種引力源。在一般物體中，物體壓力的引力效應與物體質量的引力效應相比是微不足道的。例如，人體重量中隻有不到十億分之一是由地球内部壓力産生的，不過，這種效應确實存在，而且在一個壓力極其巨大的系統中，壓力引力可以與質量引力相比拟。

在僞真空的情況下，既有巨大的能量，又有與之相仿的巨大壓力，它的相互争奪對引力的支配權，但是，關鍵的性質在于壓力是負的。僞真空起的作用不是排斥而是吸引。負壓力産生負引力效應，這就是所謂的反引力。因此，僞真空的引力作用歸結為它的能量的巨大吸引效應和它的負壓力的巨大排斥效應之間的競争。最終壓力獲得了勝利，其淨效應是産生一種非常大的排斥力，它可以在一刹那間把宇宙沖開。就是這種龐大的暴脹推力，使宇宙的尺度以極快的速度即每10^-34秒增大一倍。

就内禀性質來說，僞真空是不穩定的。像所有的激發量子态一樣，它要發生衰變以回到基态——真真空。在幾十個滴答之後，它就可能衰變。作為一種量子過程，它必然表現出上面讨論過的無法避免的不可預測性和随機漲落，這些性質都與海森伯不确定原理有關。這意味着衰變的發生就整個空間而言不是均勻的，而是會有漲落。某些理論家認為，這些漲落可能就是宇宙背景輻射探測衛星觀測到的強度起伏的緣由。

在僞真空衰變後，宇宙重新恢複它正常的減速膨脹，由暴脹進入爆炸。封閉在僞真空中的能量得以釋放，并以熱的形式出現。由暴脹産生的巨大膨脹使宇宙冷卻，直到溫度十分接近絕對零度，然後暴脹的突然結束再次把宇宙加熱到10^28度的極高溫度。今天，這個巨大的熱庫已幾乎完全消失，殘留下來的就是宇宙背景熱輻射。

作為真空能量釋放的副産品，量子真空中的許多虛粒子獲得其中的一部分能量，并轉變成實粒子。這些粒子的遺骸留存至今，成為組成你、我、銀河系和整個可觀測宇宙的10^48噸物質。

本質

真空是不穩定的，處于高能級上的量子總要向低能級躍遷，這就是真空衰變的本質。

1980年，物理學家西德尼·科爾曼(Sidney Colemam)和弗蘭克·德盧西亞(Frank De Luccia)發表了一篇新奇的文章，它以平淡無奇的标題“引力效應和真空衰變”刊登在《物理評論》雜志上。他們所指的真空不僅僅是空無一物的空間，而且是量子物理的真空态。

在第三章我已經解釋過，在我們看來也許是空無一物的真空，實際上怎樣沸騰着極短暫的量子活動，幽靈般的虛粒子出現、傳播又再次消失，就像是一場随便鬧着玩的遊戲。前面已經提到過這種真空狀态也許不是唯一的，可以存在多種量子狀态，每一種看上去都像是空無一物，但卻不同程度地經曆着量子活動，與此相聯系的就有不同的能量。

高能态往往要向低能态衰變，這是量子物理學中一條完全确證的原理。例如，一個原子可以取一定範圍内的若幹種激發态，但這些激發态都是不穩定的，原子會力圖向最低能态即“基”态衰變，這個基态才是穩定的。同樣，一種激發真空态也會力圖向最低能态即“真”真空态衰變。……

我們假定，宇宙的現有狀态對應着真真空态。這就是說，在所有可能的能态中今天的空間是最低能量的真空态。但是，對于這一點我們有把握嗎？科爾曼和德盧西亞考慮了一種令人恐懼的可能性，即真空态實際上也許不是“真”真空而是一種有相當長壽命的亞穩态，這也就是另一種僞真空，它一直在以一種僞裝的安全感哄騙我們，因為它已經延續了幾十億年。我們知道許多量子系統。如鈾核，它的半衰期為幾十億年。

能夠想象真空态會屬于這一類型嗎？科爾曼和德盧西亞在文章中所提到的真空“衰變”涉及到一場大災難的可能性，即真空态也許會突然終止，把宇宙扔進一個更小更低的能态，同時給我們（以及所有别的事物）帶來悲慘的結局。

物理描述

科爾曼和德盧西亞用數學方法對真空衰變進行了模拟，以找到這種現象出現的方式。他們發現，衰變開始出現時的空間位置是随機的，它表現為一個“真”真空小泡，四周被不穩定的“僞”真空所包圍。這個小泡一旦成核，就很快的膨脹，膨脹速度迅速趨進光速。越來越大的僞真空區域被它所吞滅，同時轉變成真真空。在第三章中我曾讨論過，這兩種狀态的能量差也許會達到非常大的程度，它集中在泡壁上，并掃過整個宇宙，同時也把它在前進道路上所遇到的一切事物統統毀滅掉。

引力效應

一個經典的場論具有兩個穩定的基态，其中一個是絕對的能量最低态。如果把這個場論量子化以後，那麼能量相對較高的基态可以看成一個僞真空，由于量子隧穿，這個僞真空是不穩定的。這個僞真空會衰變到真正的真空，如果考慮引力在這個過程中的作用，我們會發現跟我們當初想象的不一樣，引力的效應通常是不可以被忽略的，尤其是在衰變結束的時候，會變的非常重要。這個重要的工作是S.Coleman和F.D.Luccia完成的。

僞真空的衰變非常類似于統計力學中的結核相變過程。衰變過程開始時，僞真空的背景中産生了真空（我們把真實的真空稱為真空）的泡泡，就像水沸騰的時候産生了許多氣泡一樣，在這裡這是一個量子隧穿過程。當真空泡泡物質化以後，它的膨脹速度漸近趨向于光速，整個僞真空被複蓋成為真正的真空。當然在半經典極限下，單位時間單位體積内，發生這種隧穿過程的幾率是被指數壓低的。

小說中的出現

《朝聞道》

在劉慈欣所着科幻小說《朝聞道》中曾經出現，在這篇小說中一旦利用高能粒子加速器将粒子加速到10^20電子伏特的能量就會觸發真空衰變，并以光速向宇宙擴散。真空衰變的能量集中在擴散邊緣，毀滅一切内容物。《朝聞道》收錄了劉慈欣的中短篇代表作《帶上她的眼睛》《朝聞道》《思想者》《中國太陽》等，代表性地展示了劉慈欣強大的叙事能力與豐富的想象力，既有宏大的架構，又有深刻的思辨性。是中國科幻小說中的典範之作。