大多数人从未听说过真空衰变，但如果它真的发生了，那将是宇宙中最大的自然灾害。诚然，小行星可能会摧毁一座城市或使地球上的生命灭绝。超新星爆炸可能会烤糊大气臭氧层。旋转黑洞喷发的射流如果冲着地球，它可能会将整个太阳系撕裂。尽管这些灾难十分剧烈，但它们仍会留下岩石、气体和尘埃。随着时间的推移，这些物质可能会再次聚集在一起，形成新的恒星、行星，甚至可能孕育出生命。

真空衰变则不同。这种灾难将因希格斯场的改变引发，希格斯场是一种弥漫于整个空间的量子场。它可能会由纯粹的偶然因素触发，形成一个以接近光速膨胀的空泡，并将其路径上的一切都化作虚无。在这个空泡内部，我们掌握的物理定律将失效，我们所知的物质（以及生命）将不复存在。

根据物理学家目前最好的估计，真空衰变发生的概率极低，其在我们所在的宇宙区域附近发生的概率小到几乎无法想象。尽管如此，其发生的可能性或许比我们以前认为的要稍微高一些。不过，即便如此，量子末日空泡存在的可能性也不应让我们夜不能寐。当然，科学家们一直在研究这种情况如何以及为何会发生。这些问题的答案不仅揭示了量子世界的一些迷人之处，还可能颠覆我们的认知：与其让我们担心真空衰变空泡带来的威胁，宇宙能够历经如此漫长的时间而未发生真空衰变这一事实，或许更能让我们从物理学的一些最深奥的未解之谜中学到些东西。

“真空”这个词会让人联想到空无一物的空间，这与“真空衰变”中的含义相去甚远。然而，对于物理学家来说，“空无一物”是相对的。我们所熟悉的每一件物体——每一种动物、植物和矿物——都是由量子场中的涟漪构成的。每个原子都是由这些涟漪组成，而电子开关则是宇宙控制面板上的一种设置。假如你能够拨动这个面板上的开关，你会看到一个电子突然出现（译者：波函数的塌缩）。

为了让希格斯理论成立，希格斯场需要有一个难以改变的设定，接近其场能的“谷底”。但该理论并没有过多说明这个“谷底”之外的世界。

自20世纪70年代以来，物理学家们就推测可能存在对应于希格斯场更低设置的另一个“谷底”。如果存在，那个设定才会是真正的默认值，而我们所处的只是“伪真空”——一种暂时的状态，并非希格斯场真正想要达到的。在真正的真空中，希格斯场会更强，这意味着像电子、夸克和其他基本粒子会具有更大的质量，也更难产生，从而打破维持原子存在的平衡。

将希格斯场从这个默认设置中抽离出来似乎几乎是不可能的。科学家们最终在2012年完成了这一壮举，当时位于日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC）进行了一项实验，成功测量到了希格斯场可能发生的最微小变化。这就像拨动电子开关会产生一个电子，希格斯开关会产生一个被称为希格斯玻色子的粒子。这些粒子在我们创造出来后很快就消失了，同时希格斯开关会迅速恢复到其默认状态，还会撞击其他开关使其改变设置，创造出更多像电子或光子这样的粒子。但LHC的科学家们成功创造了足够多的希格斯玻色子，明确地检测到了它们的存在，并证实了希格斯场的真实性。

希格斯场很特殊，因为它控制着所有其他粒子的质量。实际上，它就像一种主开关，决定了其他所有开关的默认状态。如果你能抓住希格斯开关并将其拉向零（译者：最低点），你会发现其他所有开关都更容易改变。换句话说，更低的希格斯值意味着创造一个电子或夸克所需的能量会更少。

物理学家们认为，将希格斯场从其默认值移开，有点像滚动一块位于山谷中的巨石。如果巨石停在山谷底部，它就会停留在那里。但如果你试图把它往上推，它就会滚下来。

物理学家们并不完全确定如果发生了被称为真空衰变的变化会发生什么。他们估计，这种变化会始于希格斯场处于更高设定值的一个小区域，形成一个空泡。在这个空泡内部的其他粒子会有更高的质量。如果空泡相对较小，它就会因为表面张力而消失。但如果空泡足够大，表面张力就会支撑不住。然后，空泡内外的能量差会使空泡开始以光速膨胀，在途中改变一切。它会以极快的速度席卷整个宇宙。“在希格斯玻色子被发现之前，这一切都只是理论上的推测。”

马修·D·施瓦茨是哈佛大学的物理学教授。在此之前，没有人确定希格斯玻色子的质量是否是一个关键参数。物理学家甚至不确定真空衰变是否可能发生。他们有一个公式来估算其发生的概率，但这取决于改变希格斯场的难度，而这个难度是未知的。希格斯场从当前的默认设置开始，没有人知道如果切换到另一个设置，它是否会变得非常“粘稠”。我们的公式表明，如果默认设置不是假真空，那么它就永远不会衰变。如果很容易切换，衰变就会更有可能发生。当大型强子对撞机（LHC）团队宣布发现希格斯玻色子时，我们终于对希格斯场有了明确的测量结果。这是第一次有可能计算出真空衰变应该有多容易。

结果是令人欣慰的。2017年，包括施瓦茨在内的一组物理学家计算出，真空衰变气泡有10的606次方分之一的概率已经到达我们所处的位置，但这是一个极低极低的概率。想象一下，把宇宙中每一颗星星的原子都一个一个拿出来，然后给每个原子再赋予一个一样的宇宙，然后重复这个过程五次。在最终的总量中，想象从其中挑选一个原子，你选中一个特定原子的概率比你遇到真空衰变的可能性更高。

然而，计算中存在一些不确定性，物理学家们也在继续更新他们的计算。用于计算真空衰变概率的公式不仅依赖于改变希格斯场的难度，还依赖于其他基本粒子的质量以及其他作用力的强度，这些都需要更精确的测量。2024年的一项计算将这种概率进一步降低到了大约10的868次方分之一。

可能有其他因素会影响真空衰变的可能性。为了理解为什么会这样，想象一下把一撮盐扔进一碗即将沸腾的水里。当盐接触到水时，只有少数几个活跃的气泡会立即开始活动。如果之前水没有沸腾，现在他就开始沸腾了。物理学家说盐是“成核”的种子，它使变化成为可能。从某种意义上说，一粒盐就像一个种子，小气泡会扩散直到整个锅里都形成沸腾的气泡。

事实证明，这对真空衰变的空泡也适用。让真空衰变夸张，你需要“育种”，这些种子就是黑洞。

2015年，英国杜伦大学的物理学家露丝·格雷格、菲利普·伯达（Ruth Gregory and Philipp Burda）以及纽卡斯尔大学的伊恩·莫斯（Ian Moss）研究出了需要什么条件才能引发真空衰变。（其他人之前曾推测黑洞可能会触发真空衰变，但LHC的数据是第一次让我们能够进行计算。）结果发现，英国团队得出结论，黑洞可以通过在真空中形成种核的方式极大地增加真空衰变的可能性，就像在沸水中撒盐一样。但为了让黑洞能够产生影响，它们必须非常小。

大多数天文学家在宇宙中看到的黑洞都是死去的恒星。当大质量恒星到达生命尽头时，它们会爆炸坍缩并形成黑洞。单独来看，这样的黑洞会蒸发。斯蒂芬·霍金（译者：写《时间简史》的那个Stephen Hawking）指出，黑洞会随着时间的推移而缩小，通过霍金辐射，不停释放粒子。这种辐射之所以发生，是因为黑洞周围极端弯曲的时空扭曲了空间和时间。在黑洞的事件的视界附近量子场中的一个轻微波动，会将一个短暂的波动转变成一个永久的粒子逃逸出去。黑洞蒸发是一个极其缓慢的过程，对于大的、温和的黑洞来说，其蒸发速度要比宇宙的年龄长得多。随着黑洞变小，它的曲率变得更大，导致它产生越来越多的粒子，蒸发速度会越来越快。最小的黑洞蒸发得速度之快，以至于几乎刚一出现就会消失在人们的视野中。

格雷戈里和她的合作者发现，围绕黑洞的时空曲率对真空衰变的影响存在一个阈值效应。对于黑洞来说，时空越弯曲，就越容易使量子场包括希格斯场发生变化，包括黑洞周围的希格斯场。但是，对于由恒星衰变形成的黑洞来说，它太大了，其周围的时空弯曲太温和，无法显著影响真空衰变。那些太小的黑洞因为因为他们蒸发的太快了，也来不及产生影响。但是，那些质量在介于他们之间，质量在一夸克左右的黑洞，它们有更大的机会引发问题。

将一盎司左右的物质压缩到比一个质子尺寸还要小很多倍的空间中，以现在的技术和宇宙天文条件是不可能的。不过，在大爆炸之后的很短时间内，在恒星产生之前，极热的宇宙涟漪形成了原初黑洞并冷却下来。这些原初黑洞可能已经缩小到合适的尺寸足以诱发真空衰变，或者他们正在蒸发，快到了合适的尺寸。天文学家一直在寻找证据来证明这些微小的原初黑洞的存在，因为它们也可能是暗物质的神秘现象的原因。到目前为止，还没有找到这样的证据。

2019年，格雷戈里与两位美国科学家合作：Case Western Reserve 大学的De -Changdai 和纽约州立大学布法罗分校的Dejan Stojkovic他们一起计算出了，要摧毁宇宙需要多少微小黑洞。

“这个话题让Stojkovic非常着迷，”格雷戈里说，“不进行计算就很难想象，但一旦你进行了计算——”

“你说的是真的吗？这太疯狂了，你得面对现实。”他说。

“你得开始认真对待这件事。要是真有空泡在地球附近呢？而且这个空泡扩张的速度很快！”

Stojkovic团队展示的真空衰变研究结果引起了轰动。“Stojkovic在佛罗里达的一次会议上展示团队的最新发现，在场的观众就有人发问：知道这个有什么用呢？如果真空衰变以光速扩张，他会在我们意识到他之前就会遇到我们。

这个问题激励Stojkovic去思考得更深。他再次与Changdai和弗吉尼亚理工的Djordje Minic合作。他发现，真空衰变的空泡在真空中以光速膨胀，但它会在撞上像恒星和行星这类大质量物体时，速度会变慢。今年，Stojkovic、Changdai以及他的学生Amarta Sengupta发表了一篇预印本论文，题为《末日信号》（The Signals of Dooms day），描述了当一个空泡靠近我们，天文学家可能观测到的景象：一束拥有特定光谱光信号。要是我们看到这样的信号会怎样？“那就得由我们决定该怎么办了。”Stojkovic说，“我不知道——或许可以去海滩吧。”

国际理论科学中心（位于班加罗尔）的物理学家阿肖克·森（Ashoke Sen）提出了一个更具想象力的方案。2015年，Sen发表了一篇论文，提出人类或许能搭乘宇宙本身的膨胀来躲避真空衰变。由于一种被称为暗能量的神秘现象，空间似乎正在加速分离，其速度比光还快。森认为，如果人类能在宇宙膨胀过程中及时逃离，那么随着空间的扩张，空泡会将人们分开，从而避免被真空衰变吞噬。Sen在4月的愚人节进一步探讨了这个想法，不过他是认真对待这个设想的。

关于真空衰变，物理学家还有很多未知。粒子对撞机更精确的测量可能会极大地改变计算结果，发现微小黑洞的新证据也是如此。但有一个挥之不去的谜团，我们可能永远无法解开。

当物理学家计算真空衰变的概率时，他们使用的是标准模型理论。标准模型是一个极其成功的理论，它包含了所有已知粒子，并以惊人的精度描述了实验结果。但我们知道它并不完整。当物理学家试图用它来描述具有普朗克能量（大约相当于普通汽车满满一箱汽油的能量）的粒子时，这个模型就会失效。如果两个具有如此能量的质子碰撞，我们就无法预测会发生什么，标准模型什么也不能告诉我们。

所以需要添加新东西来修正标准模型。物理学家希望出现新的场假设：我们以前从未注意到的需要大量能量的宇宙的新的设定。这些场的存在，会产生那些我们从未发现的超大粒子。如果这些新场会影响希格斯场，那么一切都会改变：这些新场和粒子的存在会改变真空衰变的几率，甚至可能意味着希格斯粒子根本没有第二个谷底，也就不会有希格斯机制相关的真空衰变。

此时你可能会觉得我们对真空衰变几乎一无所知。但其实我们有一个关键证据，能让我们对唯一一次真空衰变有所了解：我们本身还活着。简单来说，真空衰变尚未发生。宇宙已经存在了137亿年，却没有被席卷一切的衰变空泡扫过——这就限制了真空衰变发生的可能性。

假设物理学家基于标准模型计算出真空衰变有90%的概率发生。这听起来可能很吓人，但仔细想想。同样的概率在过去也同样适用。比如一千年前，我们就有89.999999%的概率被真空衰变空泡击中（因为宇宙当时更年轻，意味着衰变空泡到达我们这里所需的时间更短）。显然，我们还没有被消灭，所以那90%的计算肯定是错误的，这意味着一定有新的物理现象存在，否则我们不可能在这里。施瓦茨说：“我们的存在本身就能告诉我们一些关于远超我们可测试范围的物理定律的信息。如果物理学家计算出真空衰变的概率很高，而且真空衰变仍然没有发生，那么希格斯场的遥远第二个谷底肯定存在一些我们还无法理解的新量子场。标准模型无法解释这些，而且我们现在也无法测量这些场。但在乌托邦式的未来，也许我们能做到。不过即便如此，我们的后代也至少能知道该往哪个方向寻找。”

（《科学美国人》2025年6月）