毁灭地球太小儿科,今天说如何毁灭宇宙?

宇宙奥秘 2020-01-13 09:11奇闻网www.qiwenkd.com
我们小时候最擅长的就是搞破坏,拆家里的收音机、手表,看看里面都有啥!拆不下来东西我们也有一万种方法弄坏这些东西,总之没啥能阻止我们的好奇心,即使是事后会挨一顿暴揍。所以今天我们就在大尺度上搞一件惊天动地的事:从赋予基本粒子质量的希格斯场和创造宇宙超高能量来尝试一下毁灭整个宇宙!是不是想想都有些兴奋。
那我们先从地球说起
在宇宙中对于一个中等大小的物质团块地球来说,宇宙有许多种自然的方法来毁灭地球。如果我们让地球足够接近一个恒星或者大黑洞,地球就会被撕裂和吞噬。
如果地球离一颗超新星太近,不仅表面会被烤焦,而且整个世界可能会在超新星爆炸的方向被炸成很小的碎片。
 
或者,你是那种动手能力很强的人,你可以把一颗反物质小行星运到地球的核心,物质/反物质湮灭产生的能量,足以把整个星球炸成一堆分离的碎石。
 
这只不过是一颗行星而已,要知道在宇宙中至少有数千亿个星系,每个星系中就有数十亿到上万亿颗恒星和行星。如果我们想毁灭一切呢?
希格斯场可能处在亚稳定状态
斯蒂芬·霍金之前提出了一种设想,即希格斯场(负责给宇宙中所有基本粒子提供静止质量的场)可能处在一个不稳定的状态,会自发地从目前的亚稳态过渡到真正的基态,并在此过程中宇宙有可能会被摧毁。这是怎么回事呢?我们先来解释一下希格斯场是如何工作的。
 
想象一下,在一个山峰的山顶上有一个小球,这个小球向任何方向移动任何距离都会滚下山顶。也就是说小球从山顶上开始往下滚动的时候,方向是完全随机的,所以落在那个山谷也完全是随机的。开始滚动的任何方向都会让小球落到一个山谷里,但在某些方向上,小球所处的山谷海拔比其他的地方或低或高。除非小球一步到位直接滚到了最低点的山谷(基态),不过这种情况发生的概率非常低,就像你从山上扔个小球,能滚到山低的几率也很低,肯定会被卡在半山腰的某处。
有一种潜在的可能性描述了希格斯场看起来就像上图中这个上峦起伏的照片,希格斯场和我们观察的粒子质量,目前就处在其中一个亚稳态山谷:一个海拔值低于周边地区,但在总体状态中不是最低的值,也就是说没有在绝对最低的山谷(没有在基态)。在下图中,一个滚下山坡的小球,它会随机一直稳定地停在任何地方,因为这是一个经典的宏观系统。但希格斯场以及整个宇宙是一个量子系统,这意味着,在任何给定的时间,宇宙中希格斯场的值都有可能通过量子隧道效应进入一个更低、更稳定的山谷。
 
这就是霍金所描述的情况,尽管这种情况发生的概率非常非常小,但也是有可能发生的,如果这就是我们宇宙的样子,以上描述的情况就可以在任何给定的时间内发生。
这种情况真的能描述我们的宇宙吗?如果这条通往低能量状态的转变发生了,我们的宇宙会发生什么?宇宙真的会被摧毁吗?或者说转变发生的变化可以让宇宙保持完整,只是和以前略有不同?
 
首先,关于希格斯场目前处于亚稳态的说法很有争议。虽然我们最好的理论表明玻色子在能量超过10^11 GeV (GeV是将电子从静止加速到10亿伏特所需的能量)时可能会变得不稳定,但这些都是基于对玻色子的质量测量,如Z 玻色子、w玻色子以及顶夸克,这些玻色子仍然有很大的不确定性。在测量的不确定性中,希格斯玻色子被证明可能是稳定的,这意味着希格斯场可能已经处于谷底了。此外,我们有充分的理由相信渐近安全理论准确地描述了引力,因此也预测了希格斯玻色子的质量是一个完全稳定的值,并且与我们的观测一致。如果是这样的话,那么希格斯粒子就不是亚稳态,霍金设想的整个问题就没有意义。
 
第二,如果希格斯场确实处在亚稳定状态,并且在宇宙中的某个地方已经过渡到了更稳定的状态,会发生什么?首先这种情况应该不会发生在地球上,或者是我们的高能粒子对撞机里,而很可能发生在超新星、活跃的星系核心或超大质量黑洞附近。因为这些区域都是宇宙中能量最高的地方(大约是10^10 GeV或更高),很有可能会经历量子隧穿效应。相比之下,LHC获得的最高能量只有10^4 GeV左右,这意味着在希格斯场的强度在地球上发生转变的几率要低得多。
如果这种转变发生了,物理定律就会立即改变,粒子的质量、相互作用的强度和原子的大小等性质也会在希格斯场达到较低值的瞬间发生变化。此外,这种转变会以光速向外传播,希格斯场的低值将开始接管整个宇宙。这对我们来说既有好处也有坏处。
坏处是:我们永远无法提前预见这种转变的到来;因为宇宙中所有可观测到的信号传播速度都不会快于光在真空中的传播速度,所以如果希格斯场强度的转变以光速传播,那么在转变覆盖我们之前,我们无法提前接收到任何信号。
好处是:因为宇宙正在加速膨胀,这意味着(97%的可观测宇宙)以光速传播的信号永远不会到达地球。所以即使这种转变已经发生在宇宙的某个地方,也不太可能影响到我们。
 
最后,如果宇宙只是亚稳态向稳定态发生了轻微的转变,那么物理定律的变化,原子的大小等等,可能变化也会非常小,小到只有通过实验手段才能检验到,并不会破坏、影响任何东西,这种轻微的变化只是赋予了基本粒子略微不同的性质而已。所以尽管这可能是一种毁灭宇宙的方式,但可能性很小很小,即使它真的发生了,也可能不会影响到我们。
 
创造宇宙最高能量,重启宇宙暴涨阶段
如果我们想毁灭宇宙,最明智的选择是依靠宇宙膨胀,我们知道宇宙之所以存在,唯一的原因就是因为宇宙暴涨并没有一直持续。如果我们能创造一个新的暴涨时期,随之而来的宇宙超高速膨胀,以及空间本身不可思议的强大能量,不仅会把星系,而且会把太阳系、人、细胞、分子、甚至单个原子撕裂。
 
那我们要怎样才能重新启动宇宙暴涨呢?
暴涨是在我们的宇宙充满物质和辐射之前存在的状态,也就是在大爆炸之前。大爆炸时所有的物质和辐射能量都来自某个阶段,而暴涨理论告诉我们热大爆炸的状态来自于空间本身固有的能量。现在空间本身的固有能量比暴涨时期小了10^31倍。
 
所以,如果我们能够再次获得宇宙初始时期的超高能量(这种能量远远高于宇宙中任何已知的能量来源),我们或许能够恢复宇宙的暴涨状态,摧毁宇宙中的一切。
所需要做的就是用10^15到10^19 GeV之间的能量来制造超高能量的碰撞。虽然这在目前的技术条件下是无法实现,但在理论中我们可以创造出这样的能量 。因为我们知道如何在一个环形加速器中以相反的方向加速粒子/反粒子,而且还知道,磁场越大,环形跑道的半径越大,粒子的运动速度越快,获得的能量就越高。
费米实验室的加速器实现了每个粒子约10^3 GeV的能量,在此原理下,粒子-反粒子碰撞过程中释放了2×10^3 GeV的能量,而LHC每个粒子约为7×10^3 GeV,每次碰撞释放1.4×10^4 GeV的能量。
 
所以如果我们想要达到每个粒子10^19 ev的能量,就需要建造一台和LHC完全一样的机器,但需要一个半径为5.9×10^14千米的环形跑道。这个跑道的大小相当于地球绕太阳公转轨道的400万倍。这就是一台可以毁灭宇宙的粒子加速器,其释放的能量足以和宇宙暴涨时期相媲美!

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