弦的物理学能拯救这个宇宙免受一个灾难的转变吗？

By Paul Sutter

2022/10/3

Science & Astronomy

一个弦理论灵感的想法可能拯救这个宇宙免于坍塌吗？ (Image credit: Pasieka via Getty Images)

我们的宇宙可能根本上是不稳定的。在一个闪烁中，空时的真空可能发现一个新的基态，触发一个宇宙的物理学的灾难的转变。

或者不。一种被弦理论灵感的新理解表明我们的宇宙可能比我们以前想的更稳定。

一个破碎的宇宙

在大爆炸的第一微秒内，这个宇宙经历了一系列的根本的相过渡。自然的四种力------电磁力、引力、强核力和弱核力------在一个时间内统一成一个单一的力。物理学家确实不知道这种力的特征或性质，但他们确实知道这种力不长久持续的。

随这个宇宙膨胀了和冷却了，最初引力从剩下的三个分离开。然后，强核力量变得独立的。最后，最后来分裂的两个力是电磁力和弱核力。最后的分裂实际上是在实验到达内的：在我们的最大的粒子加速器中，我们能重新创造早期宇宙的条件并取得（简单的）需要来重新结合这两种力的能量。

从那以后，一切已经变得相当的稳定的。自然的四种力已经呆在了自然的四种力上。基本粒子合并来形成原子核、原子和分子。最终，恒星被诞生，行星从它们的灰中升起了。与宇宙大爆炸的前几微秒相比过去的138亿年一直彻底的无聊了。

移变的沙

但这个宇宙由于它的长寿命的表观稳定性可能是一种错觉。在婴儿宇宙中发生的每一个相过渡彻底的再加工了现实的本质，旧的秩序被扫掉，新的力和新的粒子出现来取代它们。

科学家们通过测量希格斯玻色子的质量能评估目前的空时的真空的稳定性。希格斯玻色子渗透所有的空间和时间，它起一个非常重要的角色。除了为许多基本粒子提供质量外，它还做在弱核力和电磁力之间驱动一个楔子的工作。换句话说，在早期、热的、致密的宇宙中希格斯粒子呆在背景中，允许这两种力来合并。但随这个宇宙冷却了，希格斯粒子获得了力量并分开了这两者。（什么机制将自然的其它力分开是现代物理学研究的一个持续方向。）

明显的是这个宇宙不是不稳定的，否则它可能很久以前会过渡到一个新的现实。但希格斯粒子的质量能告诉我们这个宇宙是完全稳定的还是仅仅是元稳定的，意味着现在它是稳定的，直到某些东西造成一个随机相过渡为止。

目前希格斯粒子质量的测量表明我们正好在这条线上：这个宇宙出现是元稳态的并可能在任何片刻颠覆成一个新的相过渡。

来说一个相过渡到空时的真空的一个新基态将是灾难的将是一个低估说法。在某个随机点，一个随机量子波动可能触发这个相过渡。从那里，它会像一个膨胀的肥皂泡沫一样扩散。在泡沫之外，生命和这个宇宙将像正常一样继续。但在泡沫内部，一套彻底新的物理定律会出现。

考虑我们的整个存在取决于自然法则的稳定性------力的排列和已知粒子的动物园------如果这个相过渡冲刷在我们上，我们只会……消失。

用弦系在了一起

或不。毕竟这是高度推测性的物理学。而一篇最近发布在预印本数据库arXiv上的新论文描绘一个有点更乐观的观点。

我们的物理学知识是不完整的。我们知道由于用希格斯粒子来工作电磁和弱核力怎样合并。但是我们还没有发现一个一致的、相干的强核力怎样与其它力合并的理论。而一个完全统一的力，以引力包含在一个自然的彻底量子描述中，远远超出我们的掌握。

然而，弦理论是来统一所有的力在一个单一的框架下的一种试图。在弦理论中我们存在的基本粒子相反被视为一个微小的振动的弦的集合。

虽然弦理论还不是完整的（有些人争论它永远不会完整），但它确实允许研究人员来开发工具来研究棘手的问题，比如可能结束这个宇宙的相过渡物理学。

这篇新论文的作者研究了弦理论的一个包括了非局部效应的版本------这意味着在空间一个区域中的弦似乎能瞬间的影响空间的另一部分中的弦，尽管它们的距离。（如果你好奇这是一个多么激进的想法，它不是那么牵强的：量子纠缠的现象也是非局域的。）

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研究人员发现了当泡沫膨胀了时，在这个版本弦理论中的非局部效应倾向于平滑出泡沫壁。在某些情况下，泡沫壁变得如此拉伸了出去以致它彻底的溶解了。这意味着，如果我们的现实确实是元稳定的，并且经历了一个随机相过渡，这个宇宙的基本弦物理会防止相过渡吞噬整个宇宙，泡沫会在它有一个来超出微观尺寸之前破裂的机会。

这仍然是极端的推测性的物理学，但至少在我们继续来理解宇宙的基本工作原理的同时它能提供一个舒适的测量。