希格斯玻色子如何可能预示宇宙的末日

在最简单的假设下,测得的希格斯质量可能意味着宇宙是不稳定的,注定要瓦解。但别担心——这在数十亿亿年后才会发生

物理学家最近证实,位于日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)确实在去年七月发现了希格斯玻色子,这标志着科学界历时最长、耗资最昂贵的探索之一达到了顶峰。这一发现也意味着我们的宇宙可能注定要瓦解。“如果你使用我们现在所知的所有物理学知识,并进行你认为直接的计算,那将是坏消息,”伊利诺伊州费米实验室国家加速器实验室的理论物理学家约瑟夫·莱肯说。“我们所居住的宇宙本质上可能是不稳定的。”

希格斯玻色子有助于解释为什么粒子具有它们所拥有的质量。大型强子对撞机发现的希格斯粒子的质量约为126千兆电子伏特(GeV)——大致相当于126个质子(氢原子核)的总质量。(1 GeV等于十亿电子伏特。)

根据迄今为止的数据分析,发现的粒子与粒子物理学的标准模型相符,标准模型是描述亚原子世界的非常成功的理论,尽管不能排除其他模型。“它看起来非常像标准模型希格斯玻色子——尽管可能还存在一个非常巨大的希格斯粒子。我们的实验足够灵敏以探测到巨大的希格斯玻色子,但我们可能只是还没有足够的数据,”大型强子对撞机CMS(紧凑缪子线圈)实验的发言人约瑟夫·因坎德拉说,CMS实验是探测到当前希格斯粒子的两个实验之一。*


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而正是作为标准模型希格斯玻色子的这种本质,可能是我们宇宙最终不稳定的原因。这与标准模型中的所谓真空稳定性有关。

根据物理学家目前倾向于的描述,真空并非完全没有物质,而是充满了粒子和反粒子,它们会突然出现,然后相互碰撞并湮灭,所有这些都在非常短的时间内发生。量子力学中固有的不确定性允许这些自发涨落——只要粒子的寿命不超过短暂瞬间,这个过程就不违反任何物理定律。

正如莱肯所说,标准模型还表示,“为了使空的空间的真空稳定,我们应该生活在势能的最小值。”换句话说,大多数事物最终都停留在能量最低的地方。球会滚下山坡,停在低洼处;要使其远离这个点,就需要能量的推动。在宇宙的情况下,这就像生活在一个山谷的底部,山谷的边界是山丘:希格斯势的值将是山谷的最低点。

如果我们的山谷真的不是周围最低的山谷,我们的宇宙可能会终结。剑桥大学物理学家本杰明·阿兰纳赫解释说:“希格斯势的形状完全由希格斯质量决定。” 观测到的126 GeV质量似乎暗示宇宙并不存在于可能的最低能量状态,而实际上位于一个稍微不寻常的位置。“事实证明,对于质量为126 GeV的希格斯玻色子,我们可能处于灰色区域,宇宙处于局部最小值,而不是全局最小值,”罗格斯大学物理学家马修·斯特拉斯勒说。

这有点像身处一个山谷,其谷底高于相邻山谷的谷底。如果你不知道山丘的另一边有一个深谷,你就会认为你处于你能达到的最低水平。然而,如果你设法到达另一边,你就可以下降得更低。

这种情况通常不会构成问题,因为你无法在山谷之间穿梭——但在量子力学中,量子力学允许粒子不可预测地隧穿山丘。因此,“未来我们的宇宙可能会自发地、随机地隧穿到更深的山谷,并可能产生灾难性的后果,”阿兰纳赫说。

这种亚稳态宇宙并不是一个新想法。早在1979年,物理学家就试图计算希格斯玻色子的质量对宇宙学的影响。2001年,普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特和加拿大 Perimeter 理论物理研究所的尼尔·图罗克描述了一个循环宇宙,该宇宙在膨胀和收缩之间交替,并且与观测到的希格斯玻色子质量所暗示的亚稳态相一致。最近,罗马大学的朱塞佩·德格拉西和巴塞罗那自治大学的何塞·埃斯皮诺萨及其合作者计算了希格斯质量的广泛影响。

“我们现在非常有信心地知道,我们的真空处于不稳定的一侧,我们能够计算出其衰变寿命,”埃斯皮诺萨说。“事实证明,这个寿命远远大于宇宙的[当前]年龄。”

大多数理论物理学家似乎并不太担心我们宇宙的毁灭,因为亚稳态不会很快显现出来——如果会显现的话。此外,他们预计大型强子对撞机将在适当的时候发现其他粒子。然后,新的计算可能表明宇宙具有更高的稳定性。具体来说,宇宙的命运不仅非常敏感地取决于希格斯玻色子,还取决于顶夸克的质量,顶夸克是另一种基本粒子,其质量徘徊在180 GeV左右。“顶夸克通过其量子涨落强烈影响真空,因为它非常重,”阿兰纳赫说。“如果希格斯质量真的为127 GeV,而顶夸克质量略低于其最可能的值,那么实际上宇宙将完全稳定,真空将处于真正的最小值。”

斯坦哈特说,“存在一丝亚稳态。为什么宇宙恰好处于这个点?这实际上是我们必须理解的深刻的事情吗?”

但是,假设关于标准模型的一切都是已知的,并且未来不会发现新的粒子和力,那么宇宙可能处于灰色区域,它寿命很长,但有点不稳定,因此可能会在数十亿亿年后消失。“甚至可能不是数十亿年,而是数十亿亿年或数十亿亿亿年,”斯特拉斯勒强调。“这不会让我失眠。”

*编者注(03/28/13):这句话在发布后经过编辑,以更正约瑟夫·因坎德拉关于实验对探测大型希格斯玻色子的灵敏度的声明。

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