宇宙曾经沸腾过吗？我认出风暴而激动如大海

合集 · 解读科技问题 (79)

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大家都知道水的沸腾：将水加热到一定温度（例如标准大气压下是100摄氏度），它就会咕噜咕噜地冒出气泡。从物理上讲，这叫做相变，是水从液态转化为气态的相变。气泡就是水蒸汽的新相，它们从液态水的旧相中产生并扩张，多个气泡可能会合并，最终所有的液态水都变成气态。在这个过程中，新旧相有清晰的边界，称为一级相变。在理论上，出现边界是因为自由能等热力学量的一阶导数在相变时发生突变。
	然而，也有些相变是没有新旧相边界的。例如压强高于220个大气压时，水就可以从气相连续光滑地变成液相，从头到尾没有边界。这是因为此时热力学量的一阶导数没有突变，全都是连续变化。
	那“宇宙的沸腾”是什么意思呢？为了解释这个概念，我们得追溯到138亿年以前、大爆炸发生仅0.1纳秒后的早期宇宙。彼时，温度高达一千万亿摄氏度，物质的存在形式与我们日常所习惯的大不一样。我们今天面对的，是经过百亿年膨胀、冷却后的宇宙，其平均温度仅有零下270摄氏度，物质结构井然有序：夸克构成质子和中子，进而形成原子核端坐于原子中央，电子则在核外绕转。但是在早期宇宙中，粒子热运动动能极高，电子不会被束缚在原子核周围，夸克也不愿意安分地形成核子，基本粒子在整个宇宙空间中穿行、碰撞，整个宇宙就像一锅炽热的汤。
	宇宙的沸腾，指的就是这锅原始浓汤中所发生的一级相变。更具体地说，它是真空的相变。真空居然有相变，可能已经让你脑瓜子嗡嗡的了。但更神奇的是，内行还会问，是哪个真空？在粒子物理和宇宙学中，“真空”有多种含义，我们在这里说的是电弱真空。这个词是什么意思呢？现代粒子物理认为，真空充满凝聚的希格斯场，这称为电弱真空，它是基本粒子质量的起源。我们现在知道希格斯场在早期宇宙中曾经发生过相变，但还不知道它是不是一级相变，也就是说，不知道宇宙在相变过程中有没有清晰的新旧相边界。宇宙有没有沸腾过，指的就是希格斯场有没有发生过一级相变。
	真空最初指的是空无一物的空间：不存在任何物质（包括电磁场等），能量、动量均为零，是纯粹的“无”。后来，量子场论揭示真空中存在着持续的量子涨落：虚粒子可以短暂地产生，并再度湮灭归于虚无，整个过程符合不确定性原理。真空不空，这已经非常令人震惊了，不过在宏观层面，这种量子涨落的真空依然可以视为空荡荡的“无”。但我们现在谈论的电弱真空比它还要神奇：即使是在宏观层面、经典场论的意义下，真空也充满着凝聚的希格斯场，其能量密度或许可达每立方米10的29次方千克！
	看似空空如也的真空竟然充满着场，这个想法并不是从天上掉下来的，而是物理学家数十年理论和实验研究之后得出的结论。它来源于对弱相互作用的研究。自然界存在四种基本相互作用：强力、弱力、电磁力和引力，它们决定了宇宙的演化，并影响着我们的日常生活。引力和电磁力的重要性不必多提，人类对它们有悠久的认识和研究历史。强力和弱力主要在微观层面上发挥作用，所以它们在十九世纪末才逐渐为人们所知。
	强力使得夸克形成核子，进而形成原子核，令原子结构得以存在；弱力则在核聚变、放射性元素衰变等方面扮演着重要角色。弱力的强度若过大，太阳会早早燃尽；若过小，则太阳无法开始聚变。正因为弱力的强度适中，地球上才能诞生生命。
	粒子物理学认为，强、弱和电磁力都遵循一种统一的原理——“规范不变性”。1960年代，当人们将这一原理应用到弱力时，却惊奇地发现，这意味着基本粒子必须没有质量！这显然与现实不符，现实中不仅电子、夸克等粒子有质量，弱力的媒介粒子W、Z玻色子也有可观的质量。因此，基本原理和现实之间就出现了巨大的裂缝，我们面临着“质量从何而来”的问题。
	为解决这一疑难，美国的布劳特（Robert Brout，1928 — 2011）、比利时的恩格勒（François Englert，1932 —）、英国的希格斯（Peter Higgs，1929-）等人于1964年引进了一种场，这就是大名鼎鼎的希格斯场。对一般的场来说，其势能像一座山谷，而真空——即能量最低点——就在谷底，即原点处。但希格斯场不一样：它的势能像一顶卷边的帽子（又称“墨西哥帽”），故真空不在原点，而是在帽沿儿上。因此，在真空中希格斯场的值并不为零，这就称为“场的凝聚”。
	尽管“要让真空凝聚”这个想法很妙，但要在理论上实现它，却出乎意料地容易——实际上，四次多项式函数就能产生这种效果。由于四次函数是最简单的能产生墨西哥帽形状势能的函数，于是理论家们就首先做了这个尝试，然后发现这居然就够用了，就能跟实验对上了。大自然偏爱简单，这又是一个有趣的例子。