宇宙的“非正常死亡”

除了“大撕裂”“大凍結”“大崩塌”或“大反彈”，還有一種——宇宙會“非正常死亡”!

　　什麼叫宇宙“非正常死亡”?

　　如果我們把數百億年之後才會發生的“大撕裂”“ 大凍結”“大崩塌”或“大反彈”當作宇宙的正常死亡的話，那麼不是這些類型的“壽終正寝”，而是突然莫名其妙的死亡，就叫宇宙的“非正常死亡”。這正如我們本來指望一個人能活到高壽，自然地老死，孰料有一天他卻被車撞死一樣。

　　一個人發生意外，譬如被車撞了，那是因為在他之外，還有一個外部世界，這個外部世界不受他控制。但是作為宇宙，已經無所不包了，為什麼還會發生意外呢?

　　宇宙會發生意外，是因為真空并不空，真空本身有一份非零的、正的能量。

　　這是什麼意思?

　　如果你把你能想象到的一切——物質、輻射、中微子、電場和磁場，以及引力場——都從一塊空間區域移走，你就會得到一塊跟理想的“無”最接近的純粹真空。你或許會想，如果去測量這塊空間裡面的總能量，它總應該正好是零吧。

　　但事實上并非如此。即使我們移去上述所說的“一切”， 一塊純粹的真空，其能量也并非為零。真空本身在任何時候總是自帶着一份非零的、正的能量。

　　正是空間的這一屬性，對宇宙的命運有着莫大的影響。正是它，随時可能讓宇宙“非正常死亡”。

　　真空并不空

　　前面已經說了，宇宙會發生意外,是因為真空不空，真空本身有一份非零的、正的能量。對這一點的認識，科學家經曆了一個艱難複雜的過程。

　　讓我們從愛因斯坦的宇宙學方程談起。

　　1920年代，愛因斯坦在提出廣義相對論後不久，首次用廣義相對論研究整個宇宙，開創了現代宇宙學。他為宇宙建立了一個引力場方程。可是，他很快發現，這樣的宇宙模型是不穩定的：由于引力作用，萬物相吸相聚，這個宇宙有天然的收縮的趨勢。在那個年代，人們普遍深信，宇宙是靜态的，亘古如斯。愛因斯坦也不例外。所以為了能讓他的宇宙保持穩定，他隻好在引力場方程中人為地添加進一個常數項，以此來抵消引力。這就是著名的“宇宙學常數”。至于“宇宙學常數”具體代表什麼，他自己也不知道。

　　可是到了1929年，哈勃發現了星系正在彼此遠離，宇宙正在膨脹，這與靜态宇宙模型不符。由于在一個膨脹的宇宙中，膨脹本身就可以抵消引力，所以宇宙學常數變得多餘。這讓愛因斯坦追悔莫及，将其稱作他一生中“最大的錯誤”。

　　然而到了1990年代，情況發生了變化。1990年代末的觀測表明，似乎有什麼東西在推動着宇宙膨脹加速。我們給這種東西取了一個名字，叫“暗能量”。我們雖然迄今仍不知暗能量到底是什麼，但可以肯定，它不是任何形式的物質或場。此外，它的能量密度看起來不随時間和空間而變化，是一個常數。

　　如此一來，“宇宙膨脹在加速”這一事實就可以在愛因斯坦的宇宙方程中以添加一個正值的宇宙學常數的形式來表達。當初被愛因斯坦抛棄的宇宙學常數這下又起死回生了!這裡的宇宙學常數代表暗能量。

　　物理學家繼續追問，暗能量到底是什麼東西呢?根據其表現出來的性質(既非物質又非場，能量密度恒定不變)，目前大多數人推測，暗能量應該是空間本身的一種能量，甚至有人大膽猜測說，它就是真空本身的能量，或者說就是真空的零點能。

　　什麼是真空的零點能?為什麼真空本身還會有能量?直接談論有點不好理解，讓我們先從一般的物理系統談起。

　　什麼是真空的零點能?

　　在數學上，零的概念很簡單，它隻是一個既非正也非負的數，是正數和負數的分界。

　　然而，在物理學上，零的概念就複雜多了。我們用另一種方式來定義零：一個系統所能達到的最低能量狀态。

　　譬如一架秋千，當秋千停在最低點的時候，能量達到最低。其他例子還有：一群與外界隔離的有質量的物體，當它們合并變成一個黑洞時，能量達到最低;對于一個質子和一個電子，當它們形成一個電子處于基态的氫原子時，能量達到最低;對于宇宙本身而言，當它裡面沒有任何物質，也就是作為純粹“無”的空間存在時，能量達到最低……

　　這種最低能量的配置，被稱為系統的“零點狀态”，對應的能量被稱為“零點能”。

　　對于許多人來說，或許會簡單地認為，任何系統零點狀态的能量應該為零。但事實并非如此。還是以秋千為例。當秋千靜止在最低處時，盡管勢能達到最低——這正是它的零點狀态，但相對于地面，秋千依然還有一個并不為零的勢能。還有氫原子，它的零點狀态是電子在離質子最近的一條軌道上運動時的狀态(即所謂的基态)。這個基态能量也不為零。

　　任何粒子系統都可能有一個非零的零點能(當然，零點能也可能是零)，這個想法最早可以追溯到1911年量子論的創立者馬克斯·普朗克，并由愛因斯坦在1913年推廣到量子場。現在我們知道，任何粒子，哪怕冷卻到最低的絕對零度，也還會有輕微的振動。而過去我們一直認為，既然溫度是微觀粒子無規則運動的度量，那麼當溫度降低到絕對零度時，粒子所有的運動都應該完全停止。粒子在絕對零度時仍然有運動，這是由量子力學的不确定性原理所決定的(見小貼士：不确定性原理)。所以，如果我們把它們在絕對零度時的狀态定義為“零點”狀态，它們都有一個正的零點能。

　　真空零點能的真面目

　　那麼真空的零點能是怎樣産生的?它到底有多大?

　　我們知道，宇宙是由粒子和場組成的。粒子之間通過場相互作用。有四種基本的作用力場：引力場、電磁場、弱核力場和強核力場。引力場由廣義相對論描述，其他三種基本作用力場由量子場理論描述。

　　但是，事實上，除了把相互作用力當作量子場，現代量子場理論走得更遠。它認為任何一種粒子都對應着一種量子場，粒子隻不過是處于激發狀态的量子場。譬如電子有對應的電子場，當電子場受到激發，就從中“蹦”出一個電子;希格斯子有對應的希格斯場，當希格斯場受到激發，就從中“蹦”出一個希格斯子;等等。而這些量子場也充滿了看似空無一物的真空，真空像起伏不定的能量之海，那裡有粒子-反粒子對不斷地生成和湮滅(這叫量子漲落)。

　　既然這樣，真空也應該被視為一個物理系統，也應該有其零點狀态。由于所有真空在同體積的情況下都是一樣的，所以真空的零點能也應該是一項常數。現在的問題隻在于：它的零點能是多少?

　　遺憾的是，從量子場論去計算真空的零點能非常棘手。按某些計算，真空的零點能大得離譜。譬如物理學家約翰·惠勒計算出的真空零點能，在一個燈泡體積内就潛藏着足以讓全世界的海洋沸騰的能量。如果這些結果是正确的，那麼根據質能方程，能量對應質量，然後再根據廣義相對論，質量使空間彎曲，那麼我們周圍的空間早就應該嚴重彎曲了。這與我們觀察到的空間相對平坦這一事實不符。

　　那麼真空的零點能是否正好等于零?答案是否定的。

　　首先，半個多世紀以來的一系列實驗證實，真空的零點能是一個微小的不為零的正值。不為零的真空零點能可以産生微弱的物理效應，其中最著名的是卡西米爾效應(見小貼士：卡西米爾效應)。

　　其次，目前對于暗能量物理學家想不出别的解釋，但暗能量又是客觀存在的。所以假如我們堅持要把暗能量解釋為真空的零點能的話，那真空的零點能就不能為零。

　　由此，真空的零點能不可能很大，但也不能為零。

　　真真空和假真空

　　既然實驗承認真空有個不為零的最低能量狀态(即零點狀态)。那麼問題來了，即我們所處的這個真空，到底是不是真空的最低能量狀态?如果我們把最低能量狀态的真空算作真真空的話，那麼不是最低能量狀态的真空就是假真空。現在要問：我們是處在一個真真空中，還是處在一個假真空中?

　　為什麼要擔心這個問題呢?因為當初假設真空的零點能為零的時候，真空的穩定性本來是毫無懸念的，原因是能量隻能取非負值，既然是零了，當然就是最小的了，說明我們處在一個穩定的真真空。但現在真空的零點能是正的，我們就不得不問：目前這個能量非零的真空，到底是不是真空的最低能量狀态?

　　如果回答“是”，我們就說，這是一個穩定的真真空。宇宙處于這種真空中很安全，不用我們擔心。如果回答“否”，我們就說，這是一個不穩定的假真空。宇宙處于這種真空中，雖然看起來似乎平安無事，但随時都有發生翻天覆地的變化的危險。

　　為了便于理解，你可以這樣去想：假如你把一個球放在山頂上，讓它滾下去，滾下去，直到最後停下來。如果山坡是光滑的，你可以想象，它會很容易地一直滾到山腳的最低處，在那裡它将停住不動。

　　但是，如果山坡是不光滑的，有坑、有樹、有大石頭擋路，你可以想象，你的球可能會在半道上停下來。它可以無限期地停留在那些地方。但那裡不是真正的最低點，而是一個假的最低點。一旦有風吹草動，球就會繼續往山下滾，直到它滾到真正的最低處。

　　現在我們的問題相當于問：這個零點能是正數的真空，究竟是像半山腰上的石頭一樣的假真空，還是像已經跌入山谷的石頭一樣的真真空?

　　也許，雖然我們的宇宙有一個正的、非零的真空能量，但我們處于真真空。如果是這樣，宇宙将按自身的演化規律，在度過了漫長的歲月之後，迎來或“大撕裂”，或“ 大凍結”，或“大崩塌”的自然終結。

　　但是，如果我們生活在一個假真空中呢?如此一來，假真空總有一定的概率衰變成真真空——這一點也是量子力學告訴我們的。

　　在量子力學中，無論屏障有多高，總是有一定的概率，允許粒子從較高的能量狀态過渡到較低的能量狀态。這叫“量子隧道效應”。意思是說，一個粒子即使沒有足夠的能量克服一道能量高山，但它依然有一定的概率可以穿山而過，仿佛中間有條隧道一樣。放射性原子的衰變就是量子隧道效應活生生的例子。

　　宇宙的非正常死亡

　　那麼，這與宇宙的非正常死亡有什麼關系呢?

　　這裡涉及到一個詞——“宇宙相變”。在物理學上，把水從一種狀态轉變成另一種狀态叫水的相變，我們也把真空從假真空轉變成真真空稱為“真空的相變”。當真空的相變涉及整個宇宙時，我們又不妨說這是“宇宙相變”。

　　如果我們的真空通過量子隧道效應進入更低的能量狀态，支配今天宇宙的這些物理規律和物理學常數(比如光速)會不會保持不變，都很難說。理論上說，無論這種真空相變在哪裡發生，原子、行星、恒星，當然還有人類，都将被摧毀。正如水的相變(譬如水結成冰)往往是從一點開始，然後迅速蔓延至全體的，真空的相變也會從宇宙的某一角落開始，然後以光速向外傳播，席卷整個宇宙。說不定此刻，真空的相變就已經在遙遠的地方發生，隻是還未傳到我們可觀察的宇宙範圍内而已。

　　如果發生真空相變，宇宙當然就不會是自然地老死，而是突然終結，變成一個新宇宙。至于這個宇宙是什麼樣子，全然超乎我們的想象。新宇宙可能跟舊宇宙看起來差不多，隻是做了點微調，比如對暗能量所占的比例，或者對中微子的質量，做一點調整。但也可能新宇宙跟舊宇宙迥然不同，充滿了全新的粒子和力場，沒有任何生命可以在其中誕生。

　　我是在危言聳聽嗎?也許是吧。但是，我們别忘了，席卷全宇宙的相變在宇宙曆史上已經至少發生過一次。

　　在宇宙最早的時候，我們現今看到的四種基本作用力——引力、電磁力、強核力和弱核力——是結合在一起，強度完全一樣，不分彼此的，這叫“統一場”。後來，随着宇宙的膨脹和冷卻，統一場經曆了相變，它們才一個一個地分開。最後一次相變發生在電磁力與弱力分離的時候。這次相變産生了光子(傳遞電磁力的粒子)以及W和Z玻色子(傳遞弱核力的粒子)。這一切都發生在宇宙剛誕生不到一秒的時候。自那以後，不再有相變，一切都很穩定。自然界的四種基本作用力主導宇宙的演變，曆時138億年。

　　觸發真空相變的可能方式

　　但隻要我們目前的真空是假真空，對于相變來說，不管之前的狀态已經保持了多麼久，隻要給系統一個小小的擾動，相變也照樣可以随時發生。這就好比一塊石頭在山頂已經呆了數億年，哪一天你爬到山頂，輕輕踢它一腳，它就滾下山來了。

　　那麼，如果我們的真空是假真空，有什麼擾動可能觸發它相變呢?

　　理論上，任何高能粒子的産生都可能是一種觸發相變的擾動。但從“宇宙中每時每刻都在産生大量高能粒子，而它卻已經穩穩當當地存在了138億年”這一點來說，由高能粒子來觸發真空相變的概率還是非常之低的。一些人擔心地球上的高能加速器，例如歐洲大型強子對撞機，會觸發真空相變，其實這種擔心是多餘的。因為目前對撞機上産生的粒子能量最高隻達13TeV(1TeV相當于質子靜止質量的10億倍)，而宇宙中目前觀察到的粒子，能量最高的就達106TeV。要想在加速器上制造出如此高能的粒子，按現在的科學發展趨勢，人類至少還需要150年。

　　觸發真空相變的另一種可能來自黑洞的碰撞。最近，美國紐約曼哈頓學院的羅斯蒂斯拉夫·科諾普利奇和他的同事計算表明，假如我們的真空是假真空，當兩個黑洞發生碰撞時，黑洞附近的極端引力可以創造出真真空泡泡。一般來說，這些真真空泡泡立即落入黑洞，它們不會對宇宙構成任何威脅，但不能保證不會出現個别泡泡逃逸的現象。一旦有一個逃逸出來，并以光速擴張開來，就會給宇宙帶來滅頂之災。

　　如何知道宇宙處于哪種真空?

　　總之，如果我們處在一個假真空中，就随時有可能發生“宇宙相變”。那麼，該如何知道我們的宇宙是處于真真空還是假真空中呢?如果能證明宇宙處于真真空中，那自然可以讓我們一百個放心。

　　這個問題還真是不容易回答。有些人把賭注押在希格斯玻色子的質量上。因為希格斯場是一個非常特殊的場：所有基本粒子的質量都是它賦予的;它也是上一次宇宙相變的主角，是它将電磁力和弱核力分開。如果沒有它，這些力到現在還會合并在一起。

　　在量子物理學中，一個粒子質量越大，往往越不穩定。大質量的粒子會迅速衰變為較輕的粒子。今天，我們所找到的希格斯子固然是非常不穩定的，平均壽命隻有1.56×10^-22秒，但如果它的質量再大，會變得更加不穩定。考慮到希格斯場遍及宇宙，一些物理學家認為，希格斯子的質量對于宇宙的穩定性具有決定性的影響。

　　但遺憾的是，物理學家迄今對希格斯子的測量發現，它的質量正好模棱兩可：這個質量既可以讓宇宙處于真真空，也可以讓宇宙處于假真空。

　　不過，就算希格斯子的質量能讓我們對真空做出明确的判斷，我們也不敢保證說這是最終答案。因為做出判斷的理論基礎是粒子物理學的标準模型，而這個模型并不完善，遠不是什麼可以蓋棺定論的理論。

　　上一節提到，假如我們的真空是假真空，在黑洞碰撞中會産生真真空泡泡。這就引出另一個判斷真空真假的辦法。

　　事情是這樣：按科諾普利奇等人的理論，這些真真空泡泡如果碰撞合并，會形成微型黑洞;而微型黑洞會以霍金輻射的形式，極快地蒸發掉。我們就可以通過探測霍金輻射來驗證其是否存在。這樣，也就間接證明了我們的真空确實是一個假真空。不過，探測霍金輻射是非常難的，我們迄今都未能從實驗上證實霍金輻射。

　　總之，不管怎麼說，我們可能生活在假真空中這一點提醒我們，宇宙中的一切是多麼短暫和脆弱。宇宙随時都可能“非正常死亡”。所以，我們應該倍加珍惜和熱愛今天的這個宇宙。