真空衰變（高能級量子向低能級的躍遷過程）

理論基礎(chǔ)

量子理論的基本原則是沃納·海森堡(Werner Heisenberg)的測不準(zhǔn)原理。根據(jù)這一原理，量子物體的所有屬性都不具有完全確定的值。例如，一個光子或一個電子不可能同時具有確定的位置和確定的動量。對一確定的時刻，它也不可能有確定的能量。這里關(guān)心的是能量不確定性。盡管在宏觀世界里能量是守恒的（它既不能創(chuàng)造也不會消失），但是在亞原子量子領(lǐng)域里這個定律就失效了。能量可隨時自發(fā)出現(xiàn)無法預(yù)言的變化。所考慮的時間間隔越短，這種量子隨機漲落就越大。實際上，粒子可以從不知道的某個地方借來能量，只要這份能量馬上歸還就行。海森伯測不準(zhǔn)原理的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)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。

能量的不確定性會引出一些奇怪的效應(yīng)，諸如光子那樣的粒子可以突然從虛無中生成，不過過后它又馬上再度消失，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的概率便是上述奇怪效應(yīng)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。看不到它們是因為它們只是閃電般地一現(xiàn)即沒，但是又確實在原子系統(tǒng)的特性中留下它們曾存在過的痕跡，而這些痕跡是可以測量的。事實上，通常認為的真空確實充滿著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(zhì)子相別的所有粒子。為了把這種瞬時粒子與永久粒子相區(qū)別，前者稱為“虛”粒子，而后者則稱為“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，那么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(qū)別。例如，一個虛電子在典型情況下只能存在大約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么短的時間內(nèi)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(xù)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(xiàn)，這些幽靈般的量子實體依然會留下它們的活動痕跡，而且可以探測到。例如虛光子的效應(yīng)之一是使原子的能級發(fā)生極少量的偏移。它們也能使電子磁矩發(fā)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(shù)精確地測量到。

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(guān)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(yīng)的虛粒子之間發(fā)生作用。因此，也許存在不止一種真空態(tài)。許多可能的“量子態(tài)”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。這里，一個繞原子核轉(zhuǎn)動的電子可以有某些非常確定的能態(tài)，而這些能態(tài)又對應(yīng)著確定的能量。最低的能級稱為基態(tài)，它是穩(wěn)定的。較高的能級稱為激發(fā)態(tài)，它們是不穩(wěn)定的。如果一個電子闖入一個較高的能態(tài)，它會向下躍遷返回基態(tài)，而躍遷的途徑可以不止一種。這種激發(fā)態(tài)有很確定的“衰變”半衰期。

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類似的原理適用于真空。它可以有一種或多種激發(fā)態(tài)。這些激發(fā)態(tài)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。最低的能態(tài)，也就是基態(tài)，有時稱為“真”真空，以反映它是穩(wěn)定態(tài)這一事實，大體上對應(yīng)今天宇宙的真空區(qū)域。激發(fā)真空則稱為“偽”真空態(tài)。

應(yīng)當(dāng)說，偽真空態(tài)仍然是一種純理論的觀念，其性質(zhì)在很大程度上取決于所用的特定理論。但是，偽真空態(tài)很自然地出現(xiàn)在現(xiàn)今所有試圖統(tǒng)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(tǒng)一過程開始于19世紀(jì)初。當(dāng)時，漢斯·克里斯琴·奧斯特( HansChristian Oersted)發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場，而邁克爾·法拉第(Michel Faraday)則發(fā)現(xiàn)運動的磁鐵會產(chǎn)生電流。很清楚，電與磁是有內(nèi)在聯(lián)系的。但是，直到19世紀(jì)50年代，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)才指示了這種聯(lián)系的細節(jié)。麥克斯韋通過一組數(shù)學(xué)方程精確描述這些“電磁”現(xiàn)象，并預(yù)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(yīng)當(dāng)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(xiàn)，它有著自身特有的一些現(xiàn)象。

幾十年來，這種統(tǒng)一過程有了更深入的發(fā)展。根據(jù)認識，電磁力和弱核力是有聯(lián)系的，是單一“電弱”力的組成部分。許多物理學(xué)家相信、作為所謂大統(tǒng)一理論的一部分，將來也會證明強力與電弱力有聯(lián)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(tǒng)一電弱力和強力的一些大統(tǒng)一理論預(yù)言了一種最有前途的暴脹力。這些理論的一個關(guān)鍵特征是，偽真空態(tài)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。一個受激原子卻只具有10^-18焦耳左右的能量，兩者相比，后者簡直是微乎其微。因此，要激發(fā)真空，需要極大的能量，而在今天的宇宙中會找到這種狀態(tài)。另一方面，一旦有了大爆炸的極端條件，這些數(shù)字就比較說得通了。

與偽真空聯(lián)系在一起的巨大能量具有強大的引力效應(yīng)。這是因為能量具有質(zhì)量，這一點愛因斯坦已經(jīng)指出了，所以它可以像正常物質(zhì)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立方厘米偽真空的質(zhì)量重達10^64噸，這比今天整個可觀測宇宙的質(zhì)量（約10^48）還大！這種異常的引力對暴脹的產(chǎn)生毫無用處，后者要求某種反引力過程。但是，巨大的偽真空能量是和同等巨大的偽真空壓力聯(lián)系在一起的，而正是這種壓力起著奇妙的作用。通常，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(yīng)與物體質(zhì)量的引力效應(yīng)相比是微不足道的。例如，人體重量中只有不到十億分之一是由地球內(nèi)部壓力產(chǎn)生的，不過，這種效應(yīng)確實存在，而且在一個壓力極其巨大的系統(tǒng)中，壓力引力可以與質(zhì)量引力相比擬。

在偽真空的情況下，既有巨大的能量，又有與之相仿的巨大壓力，它的相互爭奪對引力的支配權(quán)，但是，關(guān)鍵的性質(zhì)在于壓力是負的。偽真空起的作用不是排斥而是吸引。負壓力產(chǎn)生負引力效應(yīng)，這就是所謂的反引力。因此，偽真空的引力作用歸結(jié)為它的能量的巨大吸引效應(yīng)和它的負壓力的巨大排斥效應(yīng)之間的競爭。最終壓力獲得了勝利，其凈效應(yīng)是產(chǎn)生一種非常大的排斥力，它可以在一剎那間把宇宙沖開。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。

就內(nèi)稟性質(zhì)來說，偽真空是不穩(wěn)定的。像所有的激發(fā)量子態(tài)一樣，它要發(fā)生衰變以回到基態(tài)——真真空。在幾十個滴答之后，它就可能衰變。作為一種量子過程，它必然表現(xiàn)出上面討論過的無法避免的不可預(yù)測性和隨機漲落，這些性質(zhì)都與海森伯不確定原理有關(guān)。這意味著衰變的發(fā)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(wèi)星觀測到的強度起伏的緣由。

在偽真空衰變后，宇宙重新恢復(fù)它正常的減速膨脹，由暴脹進入爆炸。封閉在偽真空中的能量得以釋放，并以熱的形式出現(xiàn)。由暴脹產(chǎn)生的巨大膨脹使宇宙冷卻，直到溫度十分接近絕對零度，然后暴脹的突然結(jié)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產(chǎn)品，量子真空中的許多虛粒子獲得其中的一部分能量，并轉(zhuǎn)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(zhì)。

衰變本質(zhì)

真空是不穩(wěn)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(zhì)。

1980年，物理學(xué)家西德尼·科爾曼(Sidney Colemam)和弗蘭克·德盧西亞(Frank De Luccia)發(fā)表了一篇新奇的文章，它以平淡無奇的標(biāo)題“引力效應(yīng)和真空衰變”刊登在《物理評論》雜志上。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態(tài)。在第三章已經(jīng)解釋過，看來也許是空無一物的真空，實際上怎樣沸騰著極短暫的量子活動，幽靈般的虛粒子出現(xiàn)、傳播又再次消失，就像是一場隨便鬧著玩的游戲。前面已經(jīng)提到過這種真空狀態(tài)也許不是唯一的，可以存在多種量子狀態(tài)，每一種看上去都像是空無一物，但卻不同程度地經(jīng)歷著量子活動，與此相聯(lián)系的就有不同的能量。

高能態(tài)往往要向低能態(tài)衰變，這是量子物理學(xué)中一條完全確證的原理。例如，一個原子可以取一定范圍內(nèi)的若干種激發(fā)態(tài)，但這些激發(fā)態(tài)都是不穩(wěn)定的，原子會力圖向最低能態(tài)即“基”態(tài)衰變，這個基態(tài)才是穩(wěn)定的。同樣，一種激發(fā)真空態(tài)也會力圖向最低能態(tài)即“真”真空態(tài)衰變?！?/p>

假定，宇宙的現(xiàn)有狀態(tài)對應(yīng)著真真空態(tài)。這就是說，在所有可能的能態(tài)中今天的空間是最低能量的真空態(tài)。但是，對于這一點有把握嗎？科爾曼和德盧西亞考慮了一種令人恐懼的可能性，即真空態(tài)實際上也許不是“真”真空而是一種有相當(dāng)長壽命的亞穩(wěn)態(tài)，這也就是另一種偽真空，它一直在以一種偽裝的安全感哄騙，因為它已經(jīng)延續(xù)了幾十億年。許多量子系統(tǒng)。如鈾核，它的半衰期為幾十億年。能夠想象真空態(tài)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(zāi)難的可能性，即真空態(tài)也許會突然終止，把宇宙扔進一個更小更低的能態(tài)，同時（以及所有別的事物）帶來悲慘的結(jié)局。

物理描述

科爾曼和德盧西亞用數(shù)學(xué)方法對真空衰變進行了模擬，以找到這種現(xiàn)象出現(xiàn)的方式。發(fā)現(xiàn)，衰變開始出現(xiàn)時的空間位置是隨機的，它表現(xiàn)為一個“真”真空小泡，四周被不穩(wěn)定的“偽”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。越來越大的偽真空區(qū)域被它所吞滅，同時轉(zhuǎn)變成真真空。這兩種狀態(tài)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(tǒng)統(tǒng)毀滅掉。

引力效應(yīng)

一個經(jīng)典的場論具有兩個穩(wěn)定的基態(tài)，其中一個是絕對的能量最低態(tài)。如果把這個場論量子化以后，那么能量相對較高的基態(tài)可以看成一個偽真空，由于量子隧穿，這個偽真空是不穩(wěn)定的。這個偽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，會發(fā)現(xiàn)跟想象的不一樣，引力的效應(yīng)通常是不可以被忽略的，尤其是在衰變結(jié)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。

偽真空的衰變非常類似于統(tǒng)計力學(xué)中的結(jié)核相變過程。衰變過程開始時，偽真空的背景中產(chǎn)生了真空（把真實的真空稱為真空）的泡泡，就像水沸騰的時候產(chǎn)生了許多氣泡一樣，在這里這是一個量子隧穿過程。當(dāng)真空泡泡物質(zhì)化以后，它的膨脹速度漸近趨向于光速，整個偽真空被覆蓋成為真正的真空。當(dāng)然在半經(jīng)典極限下，單位時間單位體積內(nèi)，發(fā)生這種隧穿過程的幾率是被指數(shù)壓低的。

小說中的出現(xiàn)

在劉慈欣所著科幻小說《朝聞道》中曾經(jīng)出現(xiàn)，在這篇小說中一旦利用高能粒子加速器將粒子加速到10^20電子伏特的能量就會觸發(fā)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，毀滅一切內(nèi)容物。

在ZHTTTY所著科幻小說《大宇宙時代》中曾經(jīng)出現(xiàn)，一個九級文明為了阻止惡魔化進程，引發(fā)真空衰變，真空衰變以光速向宇宙擴散，毀滅了整個河系后被九級文明停止。