空间真空中的不稳定可能会突然产生一个快速膨胀的没有内部的气泡——真正的虚无。
美林谢尔曼/广达杂志
几千年前，亚里士多德断言自然厌恶真空，并推断物体会以不可能的速度飞过真正空旷的空间。 1277 年，法国主教 Etienne Tempier 回击，宣称上帝可以做任何事，甚至创造真空。
然后一个单纯的科学家成功了。 Otto von Guericke 发明了一种泵，用于从空心铜球内抽吸空气，这可能是地球上第一个高质量真空。在 1654 年的一次戏剧表演中，他展示了即使是两队马用力撕开这个葡萄柚大小的球，也无法克服任何东西的吸力。
从那时起，真空已成为物理学的基石概念，是任何事物理论的基础。 Von Guericke 的真空是没有空气的。电磁真空是没有可以减慢光速的介质。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，无的具体种类取决于物理学家打算描述的事物类型。 “有时，这是我们定义理论的方式，”伊利诺伊大学的理论物理学家帕特里克·德雷珀 ( Patrick Draper ) 说。
随着现代物理学家与更复杂的终极自然理论候选者作斗争，他们遇到了越来越多的虚无类型。每个都有自己的行为，就好像它是物质的不同阶段一样。越来越多地，似乎理解宇宙起源和命运的关键可能是仔细计算这些不断增加的缺席类型。
1672 年，德国科学家奥托·冯·格里克 (Otto von Guericke) 撰写了一本关于真空的书，其中描述了他为斐迪南三世皇帝所做的演示，其中马匹试图将充满真空的铜球的两半拉开，但没有成功。
皇家天文学会/科学资源
加州卡弗里理论物理研究所的粒子物理学家伊莎贝尔·加西亚·加西亚 ( Isabel Garcia Garcia ) 说：“我们了解到，没有什么比我们想象的要多得多。” “我们还缺少多少？”
到目前为止，这些研究得出了一个戏剧性的结论：我们的宇宙可能坐落在一个劣质结构的平台上，一个“亚稳态”真空，在遥远的未来，注定会变成另一种虚无，在这个过程中摧毁一切.
量子虚无
到了 20 世纪，物理学家开始将现实视为场的集合：物体在空间的每一点上都有一个值（例如，电场告诉你电子会感受到多大的力）在不同的地方）。在经典物理学中，场的值在任何地方都可以为零，因此它没有影响，也不包含能量。麻省理工学院的理论物理学家丹尼尔·哈洛 ( Daniel Harlow ) 说：“传统上，真空是无聊的。” “什么都没有发生。”
周围有标量场，真空的稳定性不一定是绝对的。一个场的钟摆可能有多个半稳定的角度和从一种配置切换到另一种配置的倾向。例如，理论家不确定希格斯场是否找到了它最喜欢的配置——真正的真空。一些人认为，该领域的当前状态尽管持续了 138 亿年，但只是暂时稳定或“亚稳态”。
如果是这样，美好的时光不会永远持续下去。在 1980 年代，物理学家 Sidney Coleman 和 Frank De Luccia 描述了标量场的虚假真空如何“衰减”。在任何时候，如果某个位置有足够多的钟摆摆动到一个更有利的角度，它们就会拖动它们的邻居与它们相遇，一个真正的真空气泡将以接近光速的速度向外飞去。它将改写物理学，破坏其路径上的原子和分子。 （不要惊慌。即使我们的真空只是亚稳态的，考虑到它迄今为止的持久力，它可能还会持续数十亿年。）
在希格斯场的潜在可变性中，物理学家确定了虚无可以杀死我们所有人的几乎无限种方式中的第一种。
更多问题，更多真空
由于物理学家试图将已证实的自然定律纳入更大的集合（填补我们在此过程中理解的巨大空白），他们已经用额外的领域和其他成分炮制了候选的自然理论。
当场堆积起来时，它们相互作用，影响彼此的钟摆，并建立新的相互配置，它们喜欢卡在其中。物理学家将这些真空想象成滚动的“能量景观”中的山谷。不同的钟摆角度对应于不同数量的能量，或能量景观中的高度，一个领域试图降低其能量，就像一块石头试图滚下山坡一样。最深的山谷是基态，但石头可能会停在更高的山谷中——无论如何，有一段时间。
几十年前，景观规模呈爆炸式增长。物理学家约瑟夫·波尔钦斯基和拉斐尔·布索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 个维度时才有效，额外的维度卷曲成太小而无法检测的形状。 Polchinski 和 Bousso在 2000 年计算出，这些额外的维度可以以多种方式折叠起来。每种折叠方式都会形成一个具有自己物理定律的独特真空。
弦理论允许几乎无数真空的发现与近二十年前的另一个发现相吻合。
在一个孤独的宇宙中，唯一的真空中的微小能量看起来像是一个深刻的谜题。但在多元宇宙中，这只是愚蠢的运气。如果不同的空间气泡具有不同的能量并以不同的速度膨胀，那么星系和行星只会在最昏昏欲睡的气泡中形成。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，因为其他大多数地方都不适合生命存在。
爱它或恨它，目前理解的多元宇宙假设有一个问题。尽管弦理论看似无穷无尽的真空菜单，但到目前为止， 还没有人发现与我们这样的真空相对应的微小额外维度的特定折叠，其几乎没有正能量。弦理论似乎更容易产生负能量真空。
也许弦理论是不正确的，或者缺陷可能在于研究人员对它的不成熟理解。物理学家可能没有找到正确的方法来处理弦理论中的正真空能量。 “这是完全有可能的，”新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学家内森·赛伯格说。 “这是一个热门话题。”
或者我们的真空可能只是天生的粗略。 “普遍的观点是，[正能量]空间并不稳定，”塞伯格说。 “它可能会腐烂成别的东西，所以这可能是很难理解它的物理学的原因之一。”
这些研究人员怀疑，我们的真空状态不是现实的首选状态之一，并且有一天它会自我抖动到更深、更稳定的山谷中。这样做，我们的真空可能会失去产生电子的场或拾取新的粒子调色板。紧密折叠的尺寸可以展开。或者真空甚至可以完全放弃存在。
“这是另一种选择，”哈洛说。 “一个真正的虚无。”
真空的终结
物理学家 Edward Witten 于 1982 年首次发现了“虚无的气泡”。在研究一个额外维度的真空时，他发现量子抖动不可避免地会抖动额外维度，有时会将圆圈缩小到一个观点。维滕发现，随着维度消失在虚无之中，它带走了所有其他东西。这种不稳定性会产生一个没有内部的快速膨胀的气泡，它的镜面表面标志着时空本身的终结。
这种微小尺寸的不稳定性长期以来一直困扰着弦理论，并且已经设计了各种成分来加强它们。 12 月，Garcia Garcia 与伊利诺伊州的 Draper 和 Benjamin Lillard 一起计算了具有一个额外卷曲尺寸的真空吸尘器的寿命。他们考虑了各种稳定的花里胡哨，但他们发现大多数机制都未能阻止泡沫。他们的结论与 Witten 的结论一致：当额外维度的大小低于某个阈值时，真空立即崩溃。类似的计算——扩展到更复杂的模型——可以排除弦理论中尺寸低于该尺寸的真空。
然而，有了足够大的隐藏维度，真空可以存活数十亿年。这意味着产生无气泡的理论可能与我们的宇宙相匹配。如果是这样，亚里士多德可能比他知道的更正确。自然可能不是真空的忠实拥护者。从长远来看，它可能根本不喜欢任何东西。
原文： https://www.quantamagazine.org/how-the-physics-of-nothing-underlies-everything-20220809/