宇宙可能被上了一把锁， 物理学家说这是这个世界还没崩塌的原因

先说一件听上去有点吓人的事。

根据某些基于标准模型的计算，赋予万物质量的希格斯场，可能并没有待在能量最低的那个状态里。

它可能停在一个所谓的"假真空"中，而在极大的场值处，存在着另一个更深的能量谷底。

如果希格斯场真的有一天滚进那个更深的谷底，宇宙将进入一种截然不同的状态。

物质的结构和支配它们的作用力，都会被改写。

现在，一项发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上的研究，带来了一个略显反直觉的安慰。

研究者发现，宇宙环境中无处不在的"噪声"，可能恰恰是把场锁死在原地的那把锁。

他们给这个机制起名叫"宇宙封锁"。

一、真空并不空

要理解这项研究，先得纠正一个常见误解。

英国朴次茅斯大学宇宙学与引力研究所的大卫·万兹教授解释说，宇宙学里所说的真空，并不是完全没有能量的状态。

真空指的是某个场处于其能量极小值的状态。

真正的真空是能量可能达到的最低点，而除此之外还可能存在局部极小值，也就是假真空。

可以把它想象成一片高低起伏的山谷地貌。

真真空是最深的那道谷，其余的凹陷则是假真空。

一个卡在浅谷底部的东西，即便别处存在更低的能量状态，它也可能一直被困在原地。

量子场正是可能遭遇这种处境的对象。

经典物理里，浅谷底部的系统要翻到深谷去，必须有足够的能量翻过中间那座山。

但量子力学允许另一种走法：系统的状态可以延伸到势垒之外，存在一个小概率直接出现在山的另一侧。

这就是量子隧穿。

这项研究由罗布森·克里斯蒂、朱在宇、格雷格·卡普拉内克、文森特·韦南和大卫·万兹共同完成。

朴次茅斯大学数学与物理学院的克里斯蒂是论文第一作者。

他指出，原则上，向那个更深极小值的跃迁会把宇宙带入一种根本不同的状态。

二、没有哪个场是真正孤立的

绝大多数隧穿计算有一个共同前提：把场当作完全孤立的系统处理。

美国纽约雪城大学的研究员格雷格·卡普拉内克直言，完美的孤立是一种理想化假设。

现实中，场持续与其他场以及周遭的一切发生相互作用，也就是与它的环境打交道。

他举了一个特别贴切的例子：量子计算机。

人类为了保护这些机器里存储的量子信息，不惜投入巨大代价将其与环境隔离，因为哪怕极其微弱的相互作用，也会迅速改变量子态。

宇宙学中的情形与此类似，一个场从来都不是真正独立的。

与环境的相互作用会引发退相干。

量子系统可以处于多种可能性的叠加态。用硬币打比方，它不是单纯的正面或反面，而是同时包含两种可能的量子态。

与环境的相互作用让这种叠加越来越难以维持，系统的行为会越来越像一个普通的经典系统。

在研究者的模型中，环境由与主场相互作用的其他场来代表，主场初始时也可以处于涉及两个真空的叠加态。

三、轻场与重场的分岔路

研究的第一个意外在于，环境并不是决定场最终落在哪个真空的主角。

真正起决定作用的，是场相对于哈勃尺度是"轻"还是"重"。

哈勃尺度对应的是宇宙膨胀的速率。

克里斯蒂解释，相对哈勃尺度而言较重的场，能够快速适应宇宙膨胀带来的变化。

在这种情况下，它极有可能朝着真真空，也就是最深的能量极小值移动。

轻场的情况则不同。

如果膨胀相对于场自身的动力学过快，系统就跟不上变化的节奏。

此时，场最终落入假真空的概率仍然可观。

换句话说，真假真空之间的初次选择，主要取决于场自身动力学与宇宙膨胀速率之间的关系，而不是环境。

四、锁上之后，就很难再打开

现在设想一个轻场，它已经落进了假真空。接下来会发生什么？

在完美孤立的量子系统中，向另一个极小值的隧穿依然是可能的。

但在这个模型里，与环境的相互作用产生退相干，摧毁了维持两个真空之间相干叠加所必需的量子性质。

卡普拉内克的表述很清楚：有意思的地方在于，主要不是环境决定场最终落在哪里。

但一旦场定域在两个极小值中的一个，退相干倾向于把它按在那里。向另一个真空的隧穿被强烈抑制。

这正是研究者所称的"宇宙封锁"，一把把场稳定在它已抵达的真空中的锁。

他们把这一现象解读为量子芝诺效应的体现。

在特定条件下，一个被持续监测的量子系统，会变得远难以从一个状态跃迁到另一个状态。

当然，模型中并没有任何人真的在观测这个场。

卡普拉内克强调，这不需要一个有意识的观察者。

环境本身在持续地收集关于系统状态的信息，这个过程摧毁了两个可能真空之间的相干性，使得彼此之间的隧穿变得困难得多。

五、这算是好消息吗

必须承认，这仍然只是一个简化模型。

它并没有证明我们当前的希格斯真空受到宇宙封锁的保护。

但这个结果提示了一条有意思的原理：与环境的相互作用，能够通过抑制向其他状态的隧穿，使一个假真空变得更加稳定。

万兹总结说，如果这类机制在更现实的宇宙学情境中同样成立，它或许能帮助稳定一个已经处于假真空中的场。

但要弄清它在多大程度上适用于希格斯场，还需要更贴近现实的模型。

这里面有一层耐人寻味的反讽。

在量子计算领域，退相干是头号敌人，工程师们倾尽全力要把它压制到最低。

而在宇宙学的这幅图景里，同一个现象却可能扮演守门人的角色。

如果我们的希格斯场当真坐在一个假真空里，那么宇宙封锁至少指出了一种令人安心的可能：正是它与周遭环境的纠缠，让那场改天换地的跃迁变得更加困难。

让世界维持现状的，可能不是完美的稳定，而是无处不在的干扰。