无物物理学如何成为一切的基础？

我是斜杠青年，一个热爱自然科学的“杂食性”学者！

了解宇宙起源和命运的关键可能是要更全面地了解真空。

千禧年前，亚里士多德断言大自然憎恶真空，认为物体会以不可能的速度飞过真正空旷的空间。1277年，法国主教艾蒂安·坦皮尔回击，宣布上帝可以做任何事情，甚至可以制造真空。

然后，奥托·盖里克发明了一种泵，从空心铜球中吸入空气，这也许是地球上第一个高质量的真空。在1654年的一次戏剧演示中，他表明，即使是两队马努力撕开西瓜大小的球，也无法把它拉开。

从那时起，真空已成为物理学的基石概念，是任何某物理论的基础。电磁真空是缺乏可以减慢光线的介质。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，无所有事物的具体种类都取决于物理学家打算描述什么样的东西。伊利诺伊大学的理论物理学家帕特里克·德雷珀表示：有时，这是我们定义理论的方式。

随着现代物理学家与更复杂的自然终极理论候选者作斗争，他们遇到了越来越多的无物类型。每个人都有自己的行为，好像它是物质的不同阶段。似乎越来越了解宇宙起源和命运的关键可能是仔细考虑这些不断扩散的缺失变体。

加利福尼亚州卡夫利理论物理研究所的粒子物理学家伊莎贝尔·加西亚·加西亚表示：“我们正在学习比我们想象的要学到的更多东西。”

我们还错过了多少？

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建筑的平台上，一个“可变的”真空，在遥远的将来注定要变成另一种无所有的东西，在这个过程中摧毁一切。

量子虚无

在20世纪，随着物理学家开始将现实视为场的集合，在每个点上都充满值的空间的物体（例如，电场告诉你电子在不同地方会感受到多少力）。在经典物理学中，一个场的值可以在任何地方为零，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Daniel Harlow，表示：“从经典上讲，真空吸尘器很无聊。”

但物理学家了解到，宇宙的场是量子的，而不是经典的，这意味着它们本质上是不确定的。你永远不会捕捉到完全零能量的量子场。Harlow将量子场比作一个钟摆数组——在空间的每个点一个——其角度代表该场的值。每个钟摆几乎笔直悬挂，但来回颤抖。

量子场将保持其最小能量配置，称为“真正的真空”或“基态”。（基本粒子是这些场中的涟漪。）加西亚·加西亚表示：“当我们谈论系统的真空时，我们以某种松散的方式想到了系统的首选状态。”

充斥我们宇宙的大多数量子场都有一个，也只有一个首选状态，它们将永远处于这种状态。大多数，但不是全部。

真假真空吸尘器

在20世纪70年代，物理学家开始意识到不同类别的量子场的重要性，其值甚至平均值也不希望为零。这样的“标量场”就像一个钟摆的集合，都以10度的角度盘旋。这种配置可以是基态：钟摆更喜欢这个角度，并且是稳定的。

2012年，大型强子对撞机的实验人员证明，一个被称为希格斯场的标量场渗透到宇宙中。起初，在炎热的早期宇宙中，它的钟摆指向下。但随着宇宙的冷却，希格斯田地发生了变化，就像水可以冻结成冰一样，它的钟摆都上升到相同的角度。（这个非零希格斯值赋予许多基本粒子质量的性质。）

在周围有标量场的情况下，真空的稳定性不一定是绝对的。一个字段的摆可能有多个半稳定的角度，以及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绝对最喜欢的配置——真正的真空。有些人认为，尽管该领域已经持续了138亿年，但只是暂时稳定的。

如果是这样，好时光不会永远持续下去。20世纪80年代，物理学家西德尼·科尔曼和弗兰克·德·卢西亚描述了如何标量场的假真空可能会“衰变”。在任何时候，如果某个地方有足够的钟摆抖动成更有利的角度，它们会拖着邻居迎接他们，真正的真空气泡将以接近光速向外飞去。它将随着时间的推移重写物理学，破坏其路径中的原子和分子。（不要惊慌。即使我们的真空只是元稳定的，鉴于其迄今为止的持久力，它也可能再持续数十亿年。）

在希格斯场的潜在变异性中，物理学家确定了几乎无限多的方法中的第一个，即虚无可以杀死我们所有人。

更多问题，更多真空吸尘器

随着物理学家试图将自然界的既定定律纳入更大的范围（在此过程中填补了我们理解的巨大空白），他们用额外的领域和其他成分捏造了自然的候选理论。

当田地堆积时，它们相互作用，影响彼此的钟摆，并建立他们喜欢卡住的新相互配置。物理学家将这些真空想象成滚动的“能源景观”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，一个磁场试图降低其能量，就像石头试图向下滚动一样。最深的山谷是地面状态，但无论如何，石头都可以在更高的山谷中静止一段时间。

几十年前，景观大规模爆发。物理学家Joseph Polchinski和Raphael Bousso正在研究弦理论的某些方面，描述重力量子方面的领先数学框架。只有当宇宙有大约10个维度时，弦理论才会起作用，多余的维度蜷缩成太小的形状，无法检测到。Polchinski和Bousso2000年计算出，这种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独特的真空，并具有自己的物理定律。

弦理论允许近无数真空的发现与近二十年前的另一个发现相符。

20世纪80年代初，宇宙学家提出了一种被称为宇宙膨胀的假设，该假设已成为宇宙诞生的主要理论。该理论认为，宇宙始于快速的指数膨胀，这很容易解释宇宙的平稳性和巨大性。但膨胀的成功是有代价的。

研究人员发现，一旦宇宙通胀开始，它就会继续下去。大多数真空会永远向外猛烈爆炸。只有有限的空间区域才会停止膨胀，成为相对稳定的气泡，通过膨胀之间的空间而彼此分离。通胀宇宙学家认为，我们称其中一个泡沫为家。

真空的多元宇宙

对一些人来说，我们生活在一个多元宇宙中——无穷无尽的真空气泡景观——的概念是令人不安。它使任何一种真空（如我们的）的性质看起来都是随机和不可预测的，限制了我们理解宇宙的能力。Polchinski2018年去世前，告诉物理学家兼作家Sabine Hossenfelder，发现弦理论的真空景观最初让他如此痛苦，以至于导致他寻求治疗。如果弦理论预测了所有可以想象的零种，它预测了什么吗？

Andrei Linde表示：对其他人来说，过多的真空不是问题；“事实上，这是一种美德，”这是因为多元宇宙可能解开了一个很大的谜团：我们特定真空的超低能量。Andrei Linde是斯坦福大学著名的宇宙学家，也是宇宙通胀理论的作者之一。

当理论家天真地估计宇宙所有量子场的集体抖动时，能量是巨大的——足以快速加速空间的膨胀，并在短时间内撕裂宇宙。但相比之下，观察到的空间加速度极其温和，这表明大部分集体抖动抵消了，我们的真空的能量正值极低。

在一个孤独的宇宙中，唯一真空的微小能量看起来像一个深刻的谜题。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轨道更神秘：我们发现自己在这里，因为其他地方的大多数人都不适合生命。

不管是爱还是恨，目前理解的多元宇宙假设都有问题。尽管弦理论似乎有无限的真空菜单，但到目前为止没有人发现一个特定的微小额外尺寸折叠，对应于像我们这样的真空，其几乎没有正能量。弦理论似乎更容易产生负能量真空。

也许弦理论是不真实的，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处理弦理论中正真空能的正确方法。新泽西州普林斯顿高级研究所的物理学家Nathan Seiberg表示：“这是完全可能的，”这是一个热门话题。

或者我们的真空吸尘器本质上可能很粗略。“普遍的看法是，积极带电的空间不稳定。”“它可能会腐烂成其他东西，所以这可能是很难理解它的物理的原因之一。”

这些研究人员怀疑，我们的真空不是现实的首选状态之一，总有一天它会陷入一个更深、更稳定的山谷。如果是这样的话，我们的真空可能会失去产生电子的场，或者拿起一个新的粒子调色板，或者紧密折叠的尺寸可以展开。又或者真空甚至可以完全放弃存在。

“这是另一个选择”

真空的结束

物理学家爱德华·威滕于1982年首次发现了“无气泡”。在研究一个额外维度在每个点卷曲成一个微小圆的真空时，他发现量子抖动不可避免地会晃动额外的维度，有时会将圆缩小到一个点。Witten发现，当维度消失为虚无时，它带走了其他一切。这种不稳定性将产生一个快速膨胀的气泡，没有内部，其镜面标志着时空本身的结束。

这种微小尺寸的不稳定性长期以来一直困扰着弦理论，并设计了各种成分来使其变硬。12月，加西亚·加西亚与伊利诺伊州的Draper和Benjamin Lillard一起计算了具有单个额外卷曲维度的真空寿命。他们考虑了各种稳定钟声和口哨声，但他们发现大多数机制都未能阻止气泡。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，真空立即坍塌。类似的计算——一个扩展到更复杂的模型——可以排除弦理论中尺寸低于该大小的真空。

然而，有了足够大的隐藏维度，真空可以存活数十亿年。这意味着产生无所有泡沫的理论可以合理地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。大自然可能不是真空的忠实粉丝。从长远来看，它可能什么都不喜欢。

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