真空衰变：宇宙的自毁按钮

        量子理论的基本原则是沃纳·海森堡( Werner Heisenberg ) 的测不准原理。根据这一原理，量子物体的所有属性都不具有完全确定的值。例如，一个光子或一个电子不可能同时具有确定的位置和确定的动量。对一确定的时刻，它也不可能有确定的能量。这里我们关心的是能量不确定性。尽管在宏观世界里能量是守恒的（它既不能创造也不会消失），但是在亚原子量子领域里这个定律就失效了。能量可随时自发出现无法预言的变化。所考虑的时间间隔越短，这种量子随机涨落就越大。实际上，粒子可以从我们不知道的某个地方借来能量，只要这份能量马上归还就行。海森伯测不准原理的准确数学形式要求大宗的能量借贷必须很快归还，而少量的借贷则可保留较长的时间。

        能量的不确定性会引出一些奇怪的效应，诸如光子那样的粒子可以突然从虚无中生成，不过过后它又马上再度消失，出现这种现象的概率便是上述奇怪效应中的一种。这种粒子依靠借来的能量，因而也是依靠借来的时间得以生存。我们看不到它们是因为它们只是闪电般地一现即没，但是又确实在原子系统的特性中留下它们曾存在过的痕迹，而这些痕迹是可以测量的。事实上，通常认为的真空确实充满着川流不息的一群群这类瞬时存在的粒子，它们不仅有光子，还有电子、质子相别的所有粒子。为了把这种瞬时粒子与我们比较熟悉的永久粒子相区别，前者称为“虚”粒子，而后者则称为“实”粒子。

        除瞬时性外，虚粒子与实粒子是完全相同的。实际上，如果用某种方法从外界补充足够的能量偿还海森伯能量借贷的话，那么虚粒子就有可能升格为实粒子，而且与其他同种实粒子没有任何区别。例如，一个虚电子在典型情况下只能存在大约 10^-21 秒。　在它短促的生存期中，虚电子并非静止不动，它在消失之前可以走过 10^-11 厘米的距离（作为比较，原子的直径约为 10^-8 厘米）。如果这个虚电子在这么短的时间内得到能量（譬如说从电磁场），它就未必会消失，而是可以作为一个完全普通的电子继续存在。

        尽管看不见这些虚粒子，但它们实实在在存在于真空之中。这不仅因为真空包含一个潜在的永久性粒子库，还因为尽管它们以半真半虚的形式出现，这些幽灵般的量子实体依然会留下它们的活动痕迹，而且可以探测到。例如虚光子的效应之一是使原子的能级发生极少量的偏移。它们也能使电子磁矩发生同样细微的变化。这些细微然而却很重要的变化已用光谱技术精确地测量到。

        考虑到亚原子粒子一般不自由移动，但要受到各种与粒子种类有关的力的作用，对上述简单的量子真空图象要作些修正。这种种力也在相应的虚粒子之间发生作用。因此，也许存在不止一种真空态。许多可能的“量子态”的存在是量子物理的普遍特征。最为熟知的是原子的各种能级。这里，一个绕原子核转动的电子可以有某些非常确定的能态，而这些能态又对应着确定的能量。最低的能级称为基态，它是稳定的。较高的能级称为激发态，它们是不稳定的。如果一个电子闯入一个较高的能态，它会向下跃迁返回基态，而跃迁的途径可以不止一种。这种激发态有很确定的“衰变”半衰期。

        类似的原理适用于真空。它可以有一种或多种激发态。这些激发态有各不相同的能量，不过它们的实际表象完全相同，即都是真空。最低的能态，也就是基态，有时称为“真”真空，以反映它是稳定态这一事实，大体上对应今天宇宙的真空区域。激发真空则称为“伪”真空态。

        应当说，伪真空态仍然是一种纯理论的观念，其性质在很大程度上取决于所用的特定理论。但是，伪真空态很自然地出现在现今所有试图统一各种自然力的理论中。强力。这份清单过去还要长些。例如，电和磁就曾被看作是截然不同的东西。

        电与磁的统一过程开始于 19 世纪初。当时，汉斯·克里斯琴·奥斯特( HansChristian Oersted )发现电流产生磁场，而迈克尔·法拉第( Michel Faraday )则发现运动的磁铁会产生电流。很清楚，电与磁是有内在联系的。但是，直到 19 世纪 50 年代，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦( James Clerk Maxwell )才指示了这种联系的细节。麦克斯韦通过一组数学方程精确描述这些“电磁”现象，并预言电磁波的存在。不久，人们便意识到光也是这种波的一个例子，而且还应当存在其他形式的波，如射电波和X 射线。因此，表面上两种不同的自然力——电力和磁力——原来是单一电磁力的两种表现，它有着自身特有的一些现象。

        几十年来，这种统一过程有了更深入的发展。根据认识，电磁力和弱核力是有联系的，是单一“电弱”力的组成部分。许多物理学家相信、作为所谓大统一理论的一部分，将来也会证明强力与电弱力有联系。不仅如此，所有 4 种力可能在某种足够深的层次上合成为单一的超力。

        企图统一电弱力和强力的一些大统一理论预言了一种最有前途的暴胀力。这些理论的一个关键特征是，伪真空态的能量大得惊人：典型情况是，1 立方厘米的空间含有 10^87 焦耳的能量！甚至一个原子的体积也会拥有 10^62 焦耳的能量。一个受激原子却只具有 10^-18 焦耳左右的能量，两者相比，后者简直是微乎其微。因此，要激发真空，需要极大的能量，而在今天的宇宙中我们不企望会找到这种状态。另一方面，一旦有了大爆炸的极端条件，这些数字就比较说得通了。

        与伪真空联系在一起的巨大能量具有强大的引力效应。这是因为能量具有质量，这一点爱因斯坦已经为我们指出了，所以它可以像正常物质一样受引力吸引。量子真空的巨大能量拥有巨大的吸引力：1 立方厘米伪真空的质量重达 10^64 吨，这比今天整个可观测宇宙的质量（约 10^48 ）还大！这种异常的引力对暴胀的产生毫无用处，后者要求某种反引力过程。但是，巨大的伪真空能量是和同等巨大的伪真空压力联系在一起的，而正是这种压力起着奇妙的作用。通常，我们并不把压力看作为引力源，但这种压力却是一种引力源。在一般物体中，物体压力的引力效应与物体质量的引力效应相比是微不足道的。例如，人体重量中只有不到十亿分之一是由地球内部压力产生的，不过，这种效应确实存在，而且在一个压力极其巨大的系统中，压力引力可以与质量引力相比拟。

        在伪真空的情况下，既有巨大的能量，又有与之相仿的巨大压力，它的相互争夺对引力的支配权，但是，关键的性质在于压力是负的。伪真空起的作用不是排斥而是吸引。负压力产生负引力效应，这就是所谓的反引力。因此，伪真空的引力作用归结为它的能量的巨大吸引效应和它的负压力的巨大排斥效应之间的竞争。最终压力获得了胜利，其净效应是产生一种非常大的排斥力，它可以在一刹那间把宇宙冲开。就是这种庞大的暴胀推力，使宇宙的尺度以极快的速度即每 10^-34 秒增大一倍。

        就内禀性质来说，伪真空是不稳定的。像所有的激发量子态一样，它要发生衰变以回到基态——真真空。在几十个滴答之后，它就可能衰变。作为一种量子过程，它必然表现出上面讨论过的无法避免的不可预测性和随机涨落，这些性质都与海森伯不确定原理有关。这意味着衰变的发生就整个空间而言不是均匀的，而是会有涨落。某些理论家认为，这些涨落可能就是宇宙背景辐射探测卫星观测到的强度起伏的缘由。

        在伪真空衰变后，宇宙重新恢复它正常的减速膨胀，由暴胀进入爆炸。封闭在伪真空中的能量得以释放，并以热的形式出现。由暴胀产生的巨大膨胀使宇宙冷却，直到温度十分接近绝对零度，然后暴胀的突然结束再次把宇宙加热到 10^28 度的极高温度。今天，这个巨大的热库已几乎完全消失，残留下来的就是宇宙背景热辐射。作为真空能量释放的副产品，量子真空中的许多虚粒子获得其中的一部分能量，并转变成实粒子。这些粒子的遗骸留存至今，成为组成你、我、银河系和整个可观测宇宙的 10^48 吨物质。

        真空是不稳定的，处于高能级上的量子总要向低能级跃迁，这就是真空衰变的本质。

        1980年，物理学家西德尼·科尔曼(Sidney Colemam)和弗兰克·德卢西亚(Frank De Luccia)发表了一篇新奇的文章，它以平淡无奇的标题“引力效应和真空衰变”刊登在《物理评论》杂志上。他们所指的真空不仅仅是空无一物的空间，而且是量子物理的真空态。在第三章我已经解释过，在我们看来也许是空无一物的真空，实际上怎样沸腾着极短暂的量子活动，幽灵般的虚粒子出现、传播又再次消失，就像是一场随便闹着玩的游戏。前面已经提到过这种真空状态也许不是唯一的，可以存在多种量子状态，每一种看上去都像是空无一物，但却不同程度地经历着量子活动，与此相联系的就有不同的能量。

        高能态往往要向低能态衰变，这是量子物理学中一条完全确证的原理。例如，一个原子可以取一定范围内的若干种激发态，但这些激发态都是不稳定的，原子会力图向最低能态即“基”态衰变，这个基态才是稳定的。同样，一种激发真空态也会力图向最低能态即“真”真空态衰变。

        ……

        我们假定，宇宙的现有状态对应着真真空态。这就是说，在所有可能的能态中今天的空间是最低能量的真空态。但是，对于这一点我们有把握吗？科尔曼和德卢西亚考虑了一种令人恐惧的可能性，即真空态实际上也许不是“真”真空而是一种有相当长寿命的亚稳态，这也就是另一种伪真空，它一直在以一种伪装的安全感哄骗我们，因为它已经延续了几十亿年。我们知道许多量子系统。如铀核，它的半衰期为几十亿年。能够想象真空态会属于这一类型吗？科尔曼和德卢西亚在文章中所提到的真空“衰变”涉及到一场大灾难的可能性，即真空态也许会突然终止，把宇宙扔进一个更小更低的能态，同时给我们（以及所有别的事物）带来悲惨的结局。        

        科尔曼和德卢西亚用数学方法对真空衰变进行了模拟，以找到这种现象出现的方式。他们发现，衰变开始出现时的空间位置是随机的，它表现为一个“真”真空小泡，四周被不稳定的“伪”真空所包围。这个小泡一旦成核，就很快的膨胀，膨胀速度迅速趋进光速。越来越大的伪真空区域被它所吞灭，同时转变成真真空。这两种状态的能量差也许会达到非常大的程度，它集中在泡壁上，并扫过整个宇宙，同时也把它在前进道路上所遇到的一切事物统统毁灭掉。

        一个经典的场论具有两个稳定的基态，其中一个是绝对的能量最低态。如果把这个场论量子化以后，那么能量相对较高的基态可以看成一个伪真空，由于量 子隧穿，这个伪真空是不稳定的。这个伪真空会衰变到真正的真空，如果考虑引力在这个过程中的作用，我们会发现跟我们当初想象的不一样，引力的效应通常是不 可以被忽略的，尤其是在衰变结束的时候，会变的非常重要。这个重要的工作是 S. Coleman 和 F. D. Luccia 完成的。

        伪真空的衰变非常类似于统计力学中的结核相变过程。衰变过程开始时，伪真空的背景中产生了真空（我们把真实的真空称为真空）的泡泡，就像水沸腾的时候产生了 许多气泡一样，在这里这是一个量子隧穿过程。当真空泡泡物质化以后，它的膨胀速度渐近趋向于光速，整个伪真空被覆盖成为真正的真空。当然在半经典极限下， 单位时间单位体积内，发生这种隧穿过程的几率是被指数压低的。