真空衰变

概括：这道题是逮僖哨同学的课后练习题，主要是关于真空衰变，指导老师为荣老师。量子跃迁即处于高能级上的量子向低能级的跃迁过程。

题目：真空衰变

如果用最简单的语言描述真空衰变的话,那么可以用以下几个字概括：

量子跃迁

即处于高能级上的量子向低能级的跃迁过程.

以下将详细描述真空衰变的基本原理.

首先,我们必需了解量子真空,即相对与“真”真空而言的“伪”真空.请看以下描述：

量子理论的基本原则是沃纳·海森伯(Werner Heiseberg)的不确定原理.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完全确定的位置和动量.对一确定的时刻,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.海森伯不确定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,但是又确定在原子系统的特性中留下它们曾存在的痕迹,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、质子和别的所有粒子.为了把之中瞬时离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.

[《宇宙的最后三分钟》第三章 《最初三分钟》 第 23-24 页 保罗·戴维斯 著 上海科学技术出版社出版 1995年9月第1版 ISBN 7-5323-3660-3/P·34]

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.请看以下描述：

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.……

目前通常假定,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,即现在的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.能够想象现在的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,即现在的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.

以下是关于发生真空衰变时的物理描述：

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.在第三章中我曾讨论过,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.

[《宇宙的最后三分钟》第十章 《暴卒与再生》 第 102 页 保罗·戴维斯 著 上海科学技术出版社出版 1995年9月第1版 ISBN 7-5323-3660-3/P·34]

真空衰变意味着一切物质都会被蒸发掉,宇宙将产生暴缩,塌缩成一个时空奇点,一切东西几乎立刻湮灭,所有的一切将不复存在,宇宙将终结于此.

举一反三

例1： 真空衰变可能毁灭地球吗?我听说,有两个科学家(其中一人获过诺贝尔奖)发现宇宙处于亚稳态,其中量子有可能发生隧变借到大量能量,使周围粒子能级越迁发生真空衰变,以一原子泡形式光速传[物理练习题]

这个叫做真空跃迁,相当于同时产生了正能量粒子和负能量粒子,这种跃迁时刻都在大量发生,但是很短时间后正负能量立即又中和了,只有在黑洞附近,才会观察到现象,这种现象就是霍金预言的霍金辐射,你可要查查霍金辐射

在"真空'的宇宙中,根据海森堡测不准原理,会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后瞬间消失,以符合能量守恒.在黑洞视界之外也不例外.霍金推想,如果在黑洞外产生的虚粒子对,其中一个被吸引进去,而另一个逃逸的情况.如果是这样,那个逃逸的粒子获得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮灭,可以逃逸到无限远.在外界看就像黑洞发射粒子一样.这个猜想后来被证实,这种辐射被命名为霍金辐射.由于它是向外带去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的质量也会渐渐变小,消失；它也向外带去信息,所以不违反信息定律.

例2： 真空衰变后的宇宙会不会真的毁灭,发生过真空衰变的宇宙是什么样子[物理练习题]

宇宙既没有诞生,也没有死亡.有生灭的是宇宙中的单个天体.整体宇宙不存在“毁灭”这个问题.宇宙中的物质只能是处于一种无限的循环往复之中,生生不息永无穷尽.

例3： 真空衰变可能发生吗?真空衰变是有可能发的吗?"真空衰变意味着一切物质都会被蒸发掉,宇宙将产生暴缩,塌缩成一个时空奇点,一切东西几乎立刻湮灭,所有的一切将不复存在,宇宙将终结于此."[物理练习题]

真空衰变意味着一切物质都会被蒸发掉,宇宙将产生暴缩,塌缩成一个时空奇点,一切东西几乎立刻湮灭,所有的一切将不复存在,宇宙将终结于此.但是,很多物质半衰期很长,为几十亿年.所以不用担心.

例4： 【真空衰变真的会毁灭宇宙吗】[物理练习题]

那只是说的可能.在伪真空的环境中形成真空气泡,而使得整个宇宙向更低能态转移.对于我们目前的宇宙而言也就算是毁灭了.因为真空气泡含有极其巨大的能量,足以改变整个宇宙的结构.请注意此结构非时空结构.但是我表示怀疑,比如一立方米的真空含有比整个宇宙还大几十个数量级的能量.所以霍金也只是推测,不一定去当真,毕竟还没有形成一种成熟的理论.还有一个原因是希格斯粒子是基本粒子最特别,所以不应当按其他粒子衰变去推测它的情况.从微观向宏观过渡一下.比如黑洞也是天体,但是能用一般的天体理论去认识黑洞吗?嘿嘿,显然需要重新建立新的理论.

例5： 真空衰变能毁灭宇宙是真的吗.为什么[物理练习题]

能

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.

相关思考练习题：

题1：真空衰变的真伪真空

点拨：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...

题2：真空衰变能毁灭宇宙吗

点拨：我想这个讨论起源於Stephen Hawking的新书Starmus，书上提及"希格场(Higgs potential)有个令人担心的特性，即是它是待在一个 >~100 GeV 的准稳定能态(meta state)，一旦有真空衰变到更低的能量，整个宇宙将经历此新真空态以光速膨胀到各个地方"...

题3：真空衰变真的会导致宇宙毁灭吗，为什么霍

点拨：宇宙已经稳定存在了137亿年，或许暗能量是防止真空衰变的稳定剂也不好说，因为这个宇宙太神秘

题4：真空衰变的理论基础

点拨：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...

题5：真空衰变是不是比暗能量导致的宇宙大撕裂还可怕的

点拨：按照目前的理论物理认识,真空衰变只是一个不成熟的假设.可以肯定的是,假如真空衰变果真存在,那将是一项顶级的宇宙灾难,而且几乎不可能预警,因为真空衰变的速度也是光速. 基于量子场论对真空的认识,真空并非一无所有,相反,它是一种场的基态.这种...