真空衰變（高能級量子向低能級的躍遷過程）

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(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域里這個定律就失效了。能量可隨時自發(fā)出現(xiàn)無法預言的變化。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。海森伯測不準原理的準確數(shù)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。

能量的不確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?？床坏剿鼈兪且驗樗鼈冎皇情W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(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，大體上對應今天宇宙的真空區(qū)域。激發(fā)真空則稱為“偽”真空態(tài)。

應當說，偽真空態(tài)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，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世紀初。當時，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，電與磁是有內在聯(lián)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(lián)系的細節(jié)。麥克斯韋通過一組數(shù)學方程精確描述這些“電磁”現(xiàn)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(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)一理論預言了一種最有前途的暴脹力。這些理論的一個關鍵特征是，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。這是因為能量具有質量，這一點愛因斯坦已經(jīng)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立方厘米偽真空的質量重達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，人體重量中只有不到十億分之一是由地球內部壓力產(chǎn)生的，不過，這種效應確實存在，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，但是，關鍵的性質在于壓力是負的。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，這就是所謂的反引力。因此，偽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爭。最終壓力獲得了勝利，其凈效應是產(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。

就內稟性質來說，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測性和隨機漲落，這些性質都與海森伯不確定原理有關。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。

衰變本質

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。

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(fā)表了一篇新奇的文章，它以平淡無奇的標題“引力效應和真空衰變”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，這是量子物理學中一條完全確證的原理。例如，一個原子可以取一定范圍內的若干種激發(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）帶來悲慘的結局。

物理描述

科爾曼和德盧西亞用數(shù)學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

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。

偽真空的衰變非常類似于統(tǒng)計力學中的結核相變過程。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。當真空泡泡物質化以后，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。當然在半經(jīng)典極限下，單位時間單位體積內，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。