来理解宇宙起源和命运的关键可能是一个真空的更彻底的理解

太空真空中的一个不穩定性可能突然的滋生一個迅速擴張的沒有內部的泡泡------真正的空无性。

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Charlie Wood

Staff Writer

August 9, 2022

几千年前，亚里士多德断言了自然憎恶一个真空，究因物体会以不可能的速度飞过真正的空的空间。1277年，法国主教艾蒂安·坦皮尔（Etienne Tempier）反击，宣布上帝不会做任何事甚至创造一个真空。

然后，一个纯粹的科学家拉掉了它。奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）发明了一种泵来从一个空心铜球内吸空气，建立也许地球上第一个高质量的真空。在1654年的一次戏剧表演中，他展示了甚至两队马拼命来撕开西瓜大小的球也不能克服空无的吸力。

从那时起，真空已经变成为一个物理学中的基石概念，是任何某些事物的理论基础。冯·格里克的真空是一个空气的缺乏。电磁真空是一种能减慢光速的介质的缺乏。一个引力真空缺乏任何能够弯曲空间的物质或能量。在每种情况下，空无的特定种类都取决于物理学家打算来描述什么种类的东西。伊利诺伊大学理论物理学家帕特里克·德雷珀（Patrick Draper）说，“有时候，这是我们定义一种理论的方式”。

随现代物理学家已经把握有更复杂的自然的终极理论候选者，他们已经遇到了越来越多的空无的类型。每种有自己的行为，宛如它是一个物质的不同相一样。日益增加的，似乎来理解宇宙起源和命运的关键可能是一个这些缺乏的激增的的仔细解释。

德国科学家奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）在1672年出版的一本关于真空的书描绘了他为皇帝斐迪南三世（Ferdinand III）所做的演示，其中一队马试图来拉开充满真空铜球的两半但没有成功。Royal Astronomical Society/Science Source

加州卡夫利理论物理研究所（Kavli Institute for Theory Physics）的粒子物理学家伊莎贝尔·加西亚（Isabel Garcia Garcia）说，“我们正在了解有许多比我们想的关于空无要来了解的更多得多的，我们正在错过多少？”

到目前为止，这样的研究已经得出了一个戏剧性的结论：我们的宇宙可能坐在一个劣质构造的平台上，一个“元稳态”的在遥远的未来它注定要变成另一种空无的真空，在这个过程中摧毁一切。

量子空无性

在20世纪中随物理学家来将现实视为一个场的集合空无开始似乎像某种东西一样：在每个点上用一个值填充空间的物体（例如电场告诉你一个电子在不同的地方会感受到多大的力）。在经典物理学中，一个场的值在任何地方能是零以便它没有影响并不包含能量。

麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的理论物理学家丹尼尔·哈洛（Daniel Harlow）说，“经典上，真空是无聊的，没有东西正在发生” 。

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但物理学家了解到宇宙的场是量子的而不是经典的，这意味着它们本质上是不确定的。你永远不会捕捉到一个能量完全为零能量的量子场。哈洛将一个量子场比作一个钟摆的阵列------ 空间的每个点一个------其角度代表场的值。每个钟摆几乎笔直地垂下但来回抖动。

如果不理会，一个量子场将呆在它的最小能量配置上，称为它的“真真空”或“基态”。（基本粒子是这些场中的涟漪）。加西亚加西亚说，“当我们谈论一个系统的真空时，我们在思维中以某种松散的方式首选了系统的状态”。

填充我们宇宙的大多数量子场都有一个而且仅一个首选的状态，其中它们将永远仍然的。大多数，但不是全部。

真真空和假真空

在1970年代，物理学家来评价一类其值喜欢甚至平均不为零的不同量子场的重要性。这样一个“标量场”就像一组都以10度角盘旋的摆锤一样。这种配置能是基态：摆锤更喜欢这个角度并且是稳定的。

2012年，大型强子对撞机的实验者证明了一个被称为希格斯场的标量场渗透整个宇宙。起初，在热的早期宇宙中，它的钟摆指向下方。但随着宇宙冷却，希格斯场改变了状态，就像水能冻结成冰一样，它的钟摆都上升到相同的角度。（这个非零希格斯值赋予许多基本粒子叫质量的的）。

标量场着，真空的稳定性不一定是绝对的。一个场的摆锤可能具有多个半稳定角度和一个从一种配置切换到另一种配置的倾向。例如，理论家们不确定希格斯场是否已经找到了它的绝对喜欢的配置------真正的真空。一些人已经争论了尽管该场已经持续了138亿年，但该场的当前状态只是暂时稳定的，或“元稳态的”。

如果是这样，好时光不会永远持续下去。在1980年代，物理学家西德尼·科尔曼（Sidney Coleman）和弗兰克·德·卢西亚（Frank De Luccia）描述了一个标量场的假真空怎样可能“衰变”。在任何时候，如果在某个位置中有足够的钟摆抖动它们进入一个更有利的角度，它们会拖它们的邻居去迎接它们，而一个真正的真空泡泡会以接近光速的速度向外飞。随它进行它将改写物理学，破坏它路径中的原子和分子。（不要惊慌。即使我们的真空只是元稳态的，考虑到它的迄今为止的持久力，它将可能会持续数十亿年）。

在希格斯场的潜在可变性中，物理学家们识别了空无性可以杀死我们所有人的几乎实际的无限多种方式中的第一种。

更多的问题，更多的真空

随物理学家已经试图将自然界的确认的定律纳入一个更大的集合中（在这个过程中填补了我们理解的巨大空白），他们已经用额外的长和其他成分编造出候选的自然理论。

当场堆积起来时，它们相互作用，影响彼此的钟摆，并建立他们喜欢被困在其中的新的相互配置。物理学家将这些真空可视化为一个滚动的“能量景观”中的山谷。不同的摆锤角度对应于能量景观中不同的能量或高度，而一个场试图降低它的能量就像石头试图滚下坡一样。最深的山谷是地面状态，但石头可能会在一个更高的山谷中无论如何静止一段时间。

几十年前，景观规模呈爆炸式增长。物理学家约瑟夫·波尔钦斯基（Joseph Polchinski）和拉斐尔·布索（Raphael Bousso）正在研究弦理论的某些方面，弦理论是描述引力量子方面的主要数学框架。弦理论只有在宇宙有大约10个维度时起作用，额外的维度蜷缩成太小不能来探测的形状。波尔钦斯基和布索在2000年计算出，这种额外的维度可能会以多种方式折叠起来。每一种折叠方式都会形成一个有它自己的物理定律的独特真空，。

弦理论的发现允许几乎无数的真空与近二十年前的另一项发现嘲弄。

宇宙学家在1980年代早期发展了一种被称为宇宙膨胀的假设，该假说已成为宇宙诞生的主要理论。该理论认为宇宙始于一个指数膨胀的快速爆发，这很容易解释宇宙的平滑度和巨大性。但膨胀的成功以代价而来。

研究人员发现了一旦宇宙膨胀开始，它就会继续。大部分真空会永远向外猛烈地爆炸。只有通过膨胀两者之间的空间彼此分离的有限的空间区域会停止膨胀成为相对稳定的泡泡，。膨胀宇宙学家相信我们叫其中一个泡泡为家。

真空的多元宇宙

对一些人，我们生活在一个多元宇宙中------一个无尽的真空泡泡景观------—的想法是令人不安的。它使任何一个真空（比如我们的真空）的本质看起来是随机和不可预测的，制约我们的来理解我们的宇宙的能力。2018年去世的波尔钦斯基告诉物理学家和作家萨宾·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder），发现弦理论的真空景观最初使他如此的痛苦导致他寻求治疗。如果弦理论预测所有可以想象到的空无，它已经预测了任何东西吗？

对其他人，过多的真空不是一个问题， 斯坦福大学著名的宇宙学家、宇宙暴胀的开发者之一安德烈·林德（Andrei Linde）说，“事实上，这是一种美德”。当理论家天真地估计宇宙中所有量子场的集体抖动时，能量是巨大的------足以迅速加速空间的膨胀，并在短时间内撕裂开宇宙。但相比之下观测到的空间加速度是极端的温和，暗示大部分集体抖动抵消了，我们的真空有一个对它的能量的超常低的正值。

在一个孤独的宇宙中，一个的微小能量和唯一真空看起来像一个深刻的谜题一样。但在一个多元宇宙中，这只是愚蠢的运气。如果不同的太空泡泡有不同的能量并以不同的速率膨胀，星系和行星将仅在最昏昏欲睡的泡泡中形成。因此，我们平静的真空并不比我们星球的金发姑娘轨道更神秘：我们发现自己在这里，因为其他地方的大多数都不适合生命。

爱它或恨它，目前所理解的多元宇宙假说有一个问题。尽管弦理论的似乎有无限的真空菜单，但到目前为止还没有人已经发现一种特定的折叠的微小的额外维度，对应于一个像我们这样的真空，它几乎没有正能量。弦理论似乎更容易产生负能量真空。

也许弦理论是不真实的，或者缺陷可能位于研究人员理解它的不成熟。物理学家可能没有击中来处理弦理论中找正真空能量的正确方法。新泽西州普林斯顿高等研究院（Institute for Advanced Study）的物理学家内森·塞伯格（Nathan Seiberg）说，“这是完美的可能的， 这是一个热门话题”。

或者我们的真空可能只是固有的粗略的。塞伯格说，“普遍的观点是，[正高能的]空间是不稳定的，它可能会衰变成别的东西，因此这可能是为什么很难理解它的物理学的原因的之一”。

这些研究人员怀疑我们的真空不是一个现实的首选状态之一，并且有一天它会让自己挤进一个更深、更稳定的山谷。在这样做的过程中，我们的真空可能会失去产生电子的场或者拾起一个新的粒子调色板。紧密折叠的维度可以来展开。或者真空甚至可能完全放弃存在。

哈洛说，“这是另一种的选择，一个真正的空无”。”

真空的终结

    物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）于1982年首次发现了“空无的泡泡”。在研究一个真空与一个额外的维度在每个点上蜷缩成一个小圆时，他发现了量子抖动不可避免地抖动额外的维度，有时会将圆缩小到一个点。随维度消失成空无性，威滕发现了它带走了其他一切。这种不稳定性会滋生一个快速膨胀没有内部的泡泡，它的镜面一样的表面标志着空时本身的终结。

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这种微小维度的不稳定性长期以来一直困扰着弦理论，并且各种成分已经被设计了来使它们变硬。12月，加西亚·加西亚（Garcia Garcia）与伊利诺伊州的德雷珀（Draper）和本杰明·利拉德（Benjamin Lillard）一起计算了一个有一个单一的额外的卷曲维度的真空的寿命。他们考虑了各种稳定铃铛和口哨，但他们发现了大多数机制不能阻止这个泡泡。他们的结论与威滕的结论一致：当额外维度的大小低于某个阈值时真空立即坍塌。一个类似的计算------一种扩展到更复杂的模型的计算------可以排除弦理论中有小于该尺寸维度的真空。

然而，有一个足够大的隐藏维度，真空可以存活数十亿年。这意味着产生空无泡泡的理论可以合理地与我们的宇宙相匹配。如果是这样的话，亚里士多德可能已经比他所知道的更正确。大自然可能不是真空的一个忠实粉丝。从极端长远来看，它毕竟不喜欢空无。

     更正：2022年8月10日，奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）的真空填充铜球体的大小相当于一个西瓜的大小，而不是最初所说的一个葡萄柚的大小。

https://www.quantamagazine.org/how-the-physics-of-nothing-underlies-everything-20220809/