希格斯粒子现在可能已经终结了宇宙——这就是我们还在这里的原因

早期宇宙的一些模型，其中涉及被称为光原初黑洞的物体，不太可能是正确的，因为它们现在已经触发了希格斯玻色子来终结宇宙。

吕西安·赫蒂埃

客座作者

狼蛛星云——一个恒星形成区域——由 JWST 观测到。

图片来源：NASA、ESA、CSA 和 STScI、Webb ERO 制作团队（CC BY-SA 4.0）

在我和我的同事刚刚在《物理快报 B》上接受发表的新研究中，我们表明早期宇宙的一些模型，其中涉及被称为光原初黑洞的物体，不太可能是正确的，因为它们会触发希格斯粒子玻色子现在已经终结了宇宙。

希格斯玻色子负责我们所知的所有粒子的质量和相互作用。这是因为粒子质量是基本粒子与被称为希格斯场的场相互作用的结果。因为希格斯玻色子存在，我们知道场存在。

你可以把这个场想象成我们浸泡在一个完全静止的水浴中。它在整个宇宙中具有相同的特性。这意味着我们在整个宇宙中观察到相同的质量和相互作用。这种均匀性使我们能够在几千年的时间里观察和描述相同的物理现象（天文学家通常会向后看）。

但希格斯场不太可能处于它可能处于的最低能量状态。这意味着它理论上可以改变其状态，在某个位置下降到较低的能量状态。然而，如果这种情况发生，它将极大地改变物理定律。

这种变化代表了物理学家所说的相变。这就是水变成蒸气并在此过程中形成气泡时发生的情况。希格斯场中的相变同样会产生具有完全不同物理性质的低能空间气泡。

在这样的气泡中，电子的质量会突然改变，它与其他粒子的相互作用也会突然改变。质子和中子——构成原子核并由夸克组成——会突然发生位错。从本质上讲，任何经历过这种变化的人都可能无法再报告它。

持续的风险

最近对欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）粒子质量的测量表明，这种事件是可能发生的。但不要惊慌；这可能只会在我们退休后的几千亿年内发生。因此，在粒子物理系的走廊里，通常会说宇宙不是不稳定的，而是“亚稳定的”，因为世界末日不会很快发生。

要形成泡沫，希格斯场需要一个充分的理由。由于量子力学（控制原子和粒子微观宇宙的理论），希格斯粒子的能量总是波动的。从统计上看，希格斯粒子时不时地形成气泡是可能的（尽管不太可能，这就是为什么需要如此多的时间）。

然而，在存在强引力场或热等离子体（一种由带电粒子组成的物质形式）等外部能源的情况下，情况就不同了：场可以借用这种能量更容易形成气泡。

因此，尽管没有理由期望希格斯场今天会形成大量气泡，但宇宙学背景下的一个大问题是大爆炸后不久的极端环境是否会引发这种气泡。

然而，当宇宙非常热时，尽管有能量可以帮助形成希格斯气泡，但热效应也通过改变其量子特性来稳定希格斯粒子。因此，这种热量无法引发宇宙的终结，这可能就是我们还在这里的原因。

原始黑洞

然而，在我们的新研究中，我们表明存在一种热源，它会不断引起这种冒泡（没有大爆炸后早期看到的稳定热效应）。这就是太初黑洞，一种在早期宇宙中由于时空过于密集区域的塌缩而出现的黑洞。与恒星坍塌时形成的普通黑洞不同，原始黑洞可能很小——轻如一克。

这种轻黑洞的存在是许多描述宇宙大爆炸后不久的演化的理论模型的预测。这包括一些膨胀模型，表明宇宙在大爆炸后体积急剧膨胀。

然而，证明这种存在需要一个很大的警告：史蒂芬·霍金在 20 世纪 70 年代证明，由于量子力学，黑洞通过其事件视界（甚至光都无法逃逸的点）发射辐射来缓慢蒸发。

霍金表明，黑洞的行为就像宇宙中的热源，其温度与其质量成反比。这意味着轻黑洞比大质量黑洞更热并且蒸发得更快。特别是，如果像许多模型所表明的那样，在早期宇宙中形成了轻于数千亿克的原始黑洞（比月球质量小100亿倍），那么它们现在就已经蒸发了。

在希格斯场存在的情况下，这些物体的行为就像碳酸饮料中的杂质一样——通过重力（由于黑洞的质量）和环境温度（由于黑洞的质量）的影响提供能量，从而帮助液体形成气泡。由于其霍金辐射）。

当太初黑洞蒸发时，它们会局部加热宇宙。它们将在热点中间演化，这些热点可能比周围的宇宙热得多，但仍然比典型的霍金温度低。我们结合分析计算和数值模拟表明，由于这些热点的存在，它们会不断导致希格斯场冒泡。

但我们还在这里。这意味着此类物体极不可能曾经存在过。事实上，我们应该排除所有预测它们存在的宇宙学情景。

当然，除非我们在古代辐射或引力波中发现它们过去存在的一些证据。如果我们这样做，那可能会更加令人兴奋。这表明我们对希格斯粒子还有一些不了解的地方；在原始黑洞蒸发的情况下可以保护它免于冒泡的东西。事实上，这可能是全新的粒子或力。

不管怎样，很明显我们对于最小和最大尺度的宇宙还有很多东西有待发现。

Lucien Heurtier，伦敦国王学院博士后研究员

本文是根据知识共享许可从 The Conversation 重新发布的。阅读原文。