希格斯粒子现在可能已经毁灭了宇宙——这就是我们仍在这里的原因

Josiah01 · 发表于 2024-8-7 16:41:35

　　尽管我们的宇宙看似稳定，已经存在了 137 亿年，但一些实验表明它处于危险之中——正走在非常危险的悬崖边缘。这一切都归因于一个基本粒子的不稳定性：希格斯玻色子。
　　在我和我的同事的新研究中，我们刚刚在《物理快报 B》上发表，我们表明，一些早期宇宙的模型，那些涉及被称为轻原始黑洞的物体的模型，不太可能是正确的，因为它们现在会触发希格斯玻色子来终结宇宙。
　　希格斯玻色子决定了我们所知的所有粒子的质量和相互作用。这是因为粒子质量是基本粒子与一种称为希格斯场的场相互作用的结果。因为希格斯玻色子存在，所以我们知道该场也存在。
　　你可以把这个场想象成一个我们浸泡在里面的完全静止的水浴。它在整个宇宙中具有相同的属性。这意味着我们在整个宇宙中观察到相同的质量和相互作用。这种一致性使我们能够在几千年的时间里观察和描述相同的物理现象（天文学家通常回顾过去）。
　　但希格斯场不太可能处于最低能级。这意味着理论上它可以改变状态，在某个位置降至较低能级。然而，如果发生这种情况，它将极大地改变物理定律。
　　这种变化代表了物理学家所说的相变。水变成蒸汽时会发生这种现象，并在这一过程中形成气泡。希格斯场的相变同样会形成具有完全不同物理性质的低能空间气泡。
　　在这样的气泡中，电子的质量会突然改变，它与其他粒子的相互作用也会改变。质子和中子（组成原子核并由夸克组成）会突然错位。从本质上讲，任何经历过这种变化的人很可能都无法再报告它。
　　恒定风险
　　欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC)最近对粒子质量的测量表明，这种事件是可能发生的。但不要惊慌；这可能只会在我们退休后几千亿亿年内发生。因此，在粒子物理系的走廊里，人们通常说宇宙不是不稳定的，而是“亚稳定的”，因为世界末日不会很快发生。
　　希格斯场要形成气泡，需要一个充分的理由。根据量子力学（控制原子和粒子微观世界的理论），希格斯粒子的能量总是在波动。从统计上讲，希格斯粒子偶尔形成气泡是可能的（尽管可能性不大，这也是为什么需要这么长时间）。
　　然而，在存在强引力场或热等离子体（由带电粒子组成的物质形式）等外部能量源的情况下，情况就不同了：场可以借用这种能量更容易地形成气泡。
　　因此，尽管没有理由预期今天希格斯场会形成大量气泡，但在宇宙学的背景下，一个大问题是大爆炸后不久的极端环境是否可能引发这种气泡。
　　然而，当宇宙非常热的时候，虽然有能量帮助形成希格斯气泡，但热效应也会通过改变其量子特性来稳定希格斯粒子。因此，这种热量无法引发宇宙的终结，这或许就是我们至今仍存在的原因。
　　原始黑洞
　　然而，在我们的新研究中，我们发现有一种热源会不断引起这种冒泡（没有大爆炸后早期出现的稳定热效应）。那就是原始黑洞，这是一种在早期宇宙中因时空密度过大区域坍缩而产生的黑洞。与恒星坍缩时形成的普通黑洞不同，原始黑洞可能很小——只有一克重。
　　此类轻黑洞的存在是许多描述宇宙大爆炸后不久的演化的理论模型的预测。其中包括一些膨胀模型，这些模型表明宇宙在大爆炸后膨胀到巨大的尺寸。
　　然而，证明这种存在有一个很大的警告：斯蒂芬霍金在 20 世纪 70 年代证明，由于量子力学的原因，黑洞会通过其事件视界（甚至光都无法逃脱的点）发射辐射来缓慢蒸发。
　　霍金指出，黑洞的行为就像宇宙中的热源，其温度与质量成反比。这意味着轻黑洞比重黑洞要热得多，蒸发速度也更快。特别是，如果像许多模型所暗示的那样，在早期宇宙中形成的原始黑洞重量不到几千亿克（比月球质量小 100 亿倍），那么它们现在应该已经蒸发了。
　　在希格斯场的作用下，这些物体的行为就像碳酸饮料中的杂质一样——通过引力（由于黑洞的质量）和环境温度（由于霍金辐射）的作用为液体提供能量，从而帮助液体形成气泡。
　　当原始黑洞蒸发时，它们会局部加热宇宙。它们会在热点中间演化，这些热点可能比周围的宇宙热得多，但仍比它们典型的霍金温度低。我们结合分析计算和数值模拟，发现由于这些热点的存在，它们会不断导致希格斯场冒泡。
　　但我们仍然在这里。这意味着这样的物体极不可能存在。事实上，我们应该排除所有预测它们存在的宇宙学情景。
　　当然，除非我们在远古辐射或引力波中发现它们过去存在的证据。如果我们发现了，那可能更令人兴奋。那将表明，我们对希格斯粒子有一些不了解的地方；有某种东西可以保护它在蒸发的原始黑洞中不冒泡。事实上，这可能是全新的粒子或力。
　　无论如何，很明显我们在最小和最大尺度上仍有很多关于宇宙的知识有待探索。

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