宇宙將如何終結?實驗模擬最可怕方式

2026-05-01 | 來源: 大紀元 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

在所有宇宙可能的終結方式中，最令人擔憂的一種被稱為“假真空衰變”（False Vacuum Decay）。一項新的研究模擬了關於“假真空衰變”如何發生的理論預測。

與其它宇宙末日理論——那些通常是在遙遠未來才需要面對的問題——不同，“假真空衰變”可能就在此時此地發生，也可能發生在宇宙中的任何地方、任何時間，且毫無預兆。更特別的是，我們甚至可以在實驗室中模擬它。

先別管宇宙無限膨脹最終走向“熱寂”（Heat Death）的情境，也別去想宇宙膨脹逆轉導致“大擠壓”（Big Crunch）的結局，那些都是從宏觀尺度來看宇宙終結的理論。但如果真正的危機不在那裡，而是在微觀量子世界中呢？那麼我們面對的就是“假真空衰變”。

從“假真空”到“真真空”

在量子場論中，物理系統傾向於處於能量最低的狀態，也就是所謂的“基態”（ground state）或“真真空”（true vacuum）。

較高能量的狀態有時也可能是“亞穩定”（metastable）的；這表示它們雖然不是全域最低能量，但因為存在位能“勢壘”（energy barrier），可以維持非常長的時間，甚至看似就像永恒。

但根據量子力學，這些亞穩態仍然有概率透過“量子隧穿效應”（Quantum Tunneling）發生“假真空衰變”，即在受到擾動後，或者甚至自發地，跌落到真正的基態——即轉變到能量更低的“真真空”。

現在想像一下：整個宇宙以及它的所有性質，也就是我們認為的“基態”，其實可能根本不是最低能量狀態，不是真正的“真真空”，而只是處於一個“假真空”（false vacuum）。在更深層的地方，存在著一個更穩定的狀態。

某一天，宇宙可能突然切換到那個真正的“真真空”，使我們所處的“假真空”徹底改變：

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一旦“假真空”在空間中的某個點成功“隧穿”到更低能量的真空，這會形成一個“真真空”的“泡泡”（bubbles），這個“泡泡”會以接近光速向外擴張，所到之處會徹底改變那裡的宇宙的物理性質。至於那個改變後的新宇宙的特性是什麼，我們無從得知，因為在那一瞬間，現有的物質結構（包括我們自己）都將不復存在。

目前並沒有任何證據表明我們生活在“假真空”中，也沒有人正在進行尋找“真真空”的實驗，所以其實不需要擔心。不過，“假真空衰變”這個問題本身非常迷人，過去幾年中已有一些實驗對它進行研究。有些研究觀察“泡泡”的形成，另一些則利用量子裝置來模擬這種量子現象。

利用裡德堡原子模擬一維量子伊辛模型

在一項新實驗中，物理學家使用了“裡德堡原子”（Rydberg atoms，又譯為“芮得柏原子”）。這些原子處於激發態，它們的電子被提升到更高的軌域上；但與一般的激發態不同的是，這些軌域極其巨大，使得原子的尺寸遠遠超過普通原子，有時甚至比未激發狀態大上1萬到10萬倍。

這種誇張的尺寸非常適合用來進行各種實驗。在新研究中，這些原子被排列成一個環狀結構，每個原子旁邊都是一個自旋方向相反的原子，形成了一種交替的磁性排列（反鐵磁序），這構成了一個穩定的基態。

接著，研究團隊利用雷射為這些原子賦予了更多能量，使所有原子的自旋方向一致。這個狀態就模擬了裡德堡原子環中的“假真空狀態”。研究重點在於，觀察這些原子是如何“隧穿”回原始基態的。

研究發現，它們衰變回基態的速度，取決於雷射本身的強度。