上帝粒子决定宇宙末日

　　上帝粒子是物理学上一种叫希格斯的粒子的俗称。这种粒子在理论上非常重要，所有构成物质的基本粒子都是靠它获得质量的。
　　2012年7月，欧洲核子中心的科学家宣布，他们在大型强子对撞机上发现了疑似希格斯的粒子。经过一年多的后续研究，现在他们越来越确信，新粒子就是物理学标准模型所预言的上帝粒子。譬如它的自旋、衰变行为都基本与理论预言相符。当然，更多的特征还有待验证，所以谨慎的科学家们至今还称其为疑似希格斯粒子。
　　遗憾的是，强子对撞机为了检修和提高能量，2013年关闭了，估计到2015年才能重启，这样一来，进一步的确认工作就要推迟到2015年之后了。这也意味着提出上帝粒子的理论家们，要想在今明两年获诺贝奖看来是没戏了（他们中有几位已经快奔九了）。这倒给诺贝奖委员会解决了一个难题，因为目前有资格获奖的人共有6位，可诺奖有个规定，一个奖项不能同时授予3个以上的人。要是再等上几年，时间就自然把这一难题给解决了也许这种想法有点残忍。
　　不过这是玩笑话，你可不要当真，让我们还是来谈点严肃的事情。什么事情最严肃？当然是世界末日。好，咱们就从世界末日谈起，因为最近有物理学家声称，目前这个疑似希格斯粒子有可能预示着我们的宇宙将会毁灭！
　　太吓人了吧！不要摧残我们的神经好不好？
　　不是摧残大家的神经，是科学家的理论这样预言的，下面我们就简单介绍一下这一骇人的理论。
　　真空的两种状态
　　假如你有一块质地比较硬的塑料布，皱巴巴地晾在露天的院子里，一阵雨过后，你会发现，塑料布下陷的坑洼里，积满了水。坑洼深浅不一，中间因被凸起隔着，水不会聚到一处。但倘若一阵风吹来，塑料布晃了几下，那你就会看到，浅坑的积水会往低处的深坑里流。没了积水，浅坑就渐渐平复了。
　　上述现象用物理学家的话来说就是，浅坑处于亚稳定状态：从局部看，浅坑的能量（此处指势能）是最低的，但从全局看，却不是最低的，深坑处才是能量最低，最稳定的。亚稳定状态倘若没受到扰动，会长久存在下去，但要是受到足够大的扰动，比如被风一吹，很可能就崩溃。此类例子还有山坡上的石头，要是不去动它，它蛮可以这样存在下去，但倘若受水流的冲击或者地震摇动，那它在山坡上就待不住了，必定滚到山谷去。
　　与此类似的是，早在1980年代，有科学家就提出，真空也可分为亚稳定和稳定状态。人们把处于亚稳定状态的真空叫假真空，而把处于稳定状态的真空叫真真空。
　　你也许会问：真空里不是什么都没有，按理始终是能量最低的，怎么还有稳定、亚稳定之分呢？
　　这是因为，根据现代物理学的观点，真空里什么都没有这种看法是错的。事实上，真空里充斥着许多能量场，我们最熟悉的莫过于引力场，在浩瀚的宇宙中，无处不存在引力。我们生活的空间中，除了有尘埃、气体分子之外，还有看不见的电磁场。同理，根据物理学家的看法，与希格斯粒子有关的希格斯场也充斥在整个宇宙空间。以前，希格斯场只是理论上的猜测，但现在希格斯粒子找到了，也就证明了希格斯场的真实存在。
　　现代物理学还有一个观点，所有的场都存在一种量子，比如电磁场的量子是光子，引力场的量子是引力子，而希格斯场的量子是希格斯粒子量子场有三种状态：稳定、不稳定和亚稳定。
　　考虑到量子场充斥真空，这样真空也就有了稳定、不稳定和亚稳定之分。不过因为不稳定的真空早就崩溃了，所以现实中能够存在的只剩下稳定和亚稳定两种状态，即真真空和假真空。两者的关系就好比塑料布上的深坑与浅坑。真真空当然任何时候都是不倒翁；而假真空呢，只有受到足够大的扰动时，才显出其假来，倘若没受扰动，也蛮可以一直存在下去。两种状态有时还真不好辨别。
　　所以尽管我们的宇宙自大爆炸以来已经存在了137亿年，但它处于稳定状态呢，还是亚稳定状态，这可谁也说不上。如果处于稳定状态，那么你好我好大家好，但要是处于亚稳定状态，那可就悬了。就像塑料布下陷的坑洼一样，如果我们的宇宙像深坑，那我们就不用担忧。但如果我们的宇宙是个浅坑呢，倘若一阵风吹来，塑料布晃了几下，我们的宇宙不就完蛋啦？
　　决定宇宙命运的两个因素
　　这个问题看来悬而又玄。悬是因为我们宇宙的命运命悬一线，玄是因为太玄乎：哪怕真有这么回事，但我们身在此山中，怎么能知道宇宙处于稳定还是亚稳定状态？
　　物理学家还真是神通广大，他们居然可以通过物理学的标准模型来计算出来。但计算中需要涉及许多基本粒子的质量，其中有两个基本粒子的质量长久以来一直没弄清楚，一个是希格斯粒子的质量，另一个是顶夸克的质量，所以事情就耽搁下来了。现在好了，这两个质量都差不多弄清楚了。
　　根据物理学家的估算，要想保证我们的宇宙处于稳定状态，希格斯粒子的质量下限范围应该在123。8135。0GeV（GeV即10亿电子伏，质子的静止质量是0。938GeV）。也就是说，只要希格斯粒子的质量高于这个下限，那么宇宙就是稳定的。下限本来应该是一个确定的值，但因为迄今顶夸克的质量测得还不够精确，所以现在只能给出一个大致的范围。而2012年测得的希格斯粒子质量在125127GeV之间，两者很接近，所以事情看来有些不妙。
　　由此看来，宇宙究竟处于何种状态，这个问题至今依然悬而未定，还有待于测量出顶夸克的精确质量，才能定下为保证宇宙稳定所需的希格斯粒子质量下限。打个比方，一旦物理学家说下限是124GeV，而希格斯粒子的质量在125127GeV之间，高于这个下限，那么我们就可以放心地说，宇宙处于稳定态；但如果下限是129GeV，而现在希格斯粒子的质量低于这个下限，那宇宙就处于亚稳定态了。
　　所以，为了预言宇宙的命运，物理学家接下来还要做两项工作：一是精确测量顶夸克的质量，另一项是精确测量希格斯粒子的质量（精度要达到1）。
　　宇宙末日会怎样来临？
　　大家好像都对世界末日感兴趣这种好奇心会要人命的！为了满足大家的好奇心，那我们就不妨来想像一下，倘若宇宙处于亚稳定状态，它会怎样毁灭。
　　设想宇宙某处的假真空受到扰动，变成了真真空，于是一个真真空泡泡就产生了。这个泡泡比周围假真空的能量更低，所以它将不断蚕食周围的空间，就像多米诺骨牌倒下一样。但这个连锁反应将以光速蔓延，直到整个宇宙都转变为稳定态为止。
　　这真是一个名副其实的乾坤大挪移。在这过程中，我们的宇宙从能量较高的亚稳定态转变为能量最低的稳定态，要释放出大量的能量。此外，所有的东西，从原子、分子到恒星、星系，都要统统毁灭，然后在稳定态的新宇宙中重新组合。我们知道，宇宙有好几种可能的毁灭方式，而这种毁灭比起别的方式来，更致命、更彻底。
　　比如，根据天文观测，宇宙在加速膨胀（这是2011年获得诺贝尔奖的成果），未来很可能面临大撕裂的结局：先是星系团被撕裂成单个的星系，然后星系撕裂成恒星直到分子撕裂成原子，原子撕裂成亚原子。但不管怎么说，在这种毁灭中，基本粒子不会再被撕裂成别的什么了，统治宇宙的基本规律，比如像真空中的光速、引力常数等基本物理学常数，也不会发生变化。但宇宙要是从亚稳定态演变到稳定态，那就完全不同了，那将是一次彻底的重新洗牌。在稳定态的宇宙里，连基本粒子和基本物理学规律，甚至时空维数都可能完全迥异于亚稳定态的宇宙而且这种毁灭会在什么时候发生，最先在什么地方开始，原则上都是不确定的，或许现在在某个遥远的地方就已经开始了。
　　那么，触发宇宙以这种方式毁灭的扰动可能是什么呢？理论上，任何高能粒子的产生都可能是一种扰动这是目前我们唯一能想像到的一种可能。但从宇宙中每时每刻都在产生大量高能粒子，而它却已经稳稳当当地存在了137亿年这一点来说，由高能粒子来触发宇宙毁灭的概率还是非常非常之低的。一些人担心地球上的高能加速器，例如欧洲大型强子对撞机，会触发毁灭，就像前些年有人担心对撞机会造出吞噬地球的微型黑洞一样。其实这种担心是多余的。因为目前对撞机上产生的粒子能量最高只达8万亿电子伏的量级，即使升级之后也只达13万亿电子伏，而宇宙中目前观察到的粒子，能量最高的是人工产生粒子的10万倍。要想在加速器上制造出如此高能的粒子，人类至少要在150年之后。
　　至于其他会触动宇宙毁灭的因素，我们目前就不得而知了。
　　对宇宙认识有限
　　我们一口气把最坏的事情讲完了，现在该来讲点愉快的事情了。
　　上述的讨论是建立在物理学家的计算基础之上的，现在不妨反过来问一句：他们的计算可靠么？大家可以宽点心的是，计算其实也不见得完全可靠。
　　原因是，他们的计算是以物理学的标准模型为基础的。这个模型认为，自然界的基本粒子只有61种：第一类是组成物质的粒子，包括夸克、轻子（如电子）以及它们的反粒子。其中夸克18种，轻子6种，加上它们的反粒子共48种；第二类是传递相互作用的粒子，包括传递电磁力的光子、传递强核力的胶子等；第三类是让基本粒子获得质量的粒子，即希格斯粒子。
　　但是大自然中的基本粒子真的只有这么多？或者说，标准模型已经把所有基本粒子一网打尽了么？如果没有，那么单单根据这些粒子来计算宇宙到底处于稳定还是亚稳定态，得出的结论就是大可怀疑的。
　　虽然迄今还没有实验证据表明物理学的标准模型存在漏洞，但至少自然界已经出现它所解释不了的一些事情，这就意味着它还远非尽善尽美。
　　第一件事情是暗物质的存在，这种物质占宇宙物质总质量的大约85，但与已知的由基本粒子组成的普通物质完全不同。譬如说，暗物质跟普通物质没有电磁力和强核力作用，最多只存在引力和弱核力作用。组成暗物质的粒子是什么呢？虽然这迄今是个谜，但可以肯定，它不在标准模型的61种基本粒子之列。
　　第二件事件是，实验证明，中微子有微小的质量，而标准模型中中微子是没有质量的。
　　第三件事情是，为什么自然界最弱的两种基本作用力弱核力和引力强度相差那么大？比如在原子核尺寸的距离上，前者是后者的1032倍。而在其他三种基本作用力，即强核力、弱核力和电磁力之间，强度在量级上却没有相差这么大。这就是所谓基本作用力的等级问题，也是标准模型目前还解释不了的。
　　为了解决这些难题，物理学家渴望突破标准模型，在各种新提出的理论中，希望最大的是超对称理论。
　　超对称粒子存在吗？
　　在粒子物理学上，物理学家把粒子按自旋分成两大类：一类是自旋为整数的粒子，叫玻色子，传递基本作用力的粒子和希格斯粒子都是玻色子。另一类是自旋为半整数的粒子，叫费米子，组成物质的粒子，如夸克、质子、电子等等都是费米子。
　　为什么要这样分呢？因为玻色子和费米子在过集体生活的时候，表现是很不一样的。我们知道，在微观世界里，粒子可以处于不同的状态，物理学上是用一系列量子数来标识这些状态的。比如说在原子核外运动的电子，首先所处的轨道可能不同，用轨道量子数来标识这些轨道；其次，可能自旋朝向不同，所以又用自旋量子数来标识自旋朝向这就好比说我们用学校、年级、班级甚至座位等一系列特征来标识一名学生一样，学校、年级、班级和座位就相当于标识一名学生的量子数。
　　对于费米子来说，它们在任何时候都不会有两个处于同一个状态；而对于玻色子呢，它们却喜欢不分彼此地共处一态。打个比喻。假如用一系列挂着不同门牌号的房间来代表粒子的不同状态。现在要安排一群粒子住进去。如果是玻色子，它们就倾向于同住在一起，所以你会发现，最后它们全挤在了一个房间。而要是费米子呢，则倾向于每人各占一个房间，哪怕你一开始是让它们同住在一起的，最后也要各自分开。
　　超对称理论认为，每一种粒子都有其超对称伙伴，玻色子的超对称伙伴是费米子，费米子的超对称伙伴是玻色子。这里的超对称是玻色子和费米子一一对应的意思。比如说，电子是费米子，它的超对称伙伴超电子应该是玻色子；希格斯粒子是玻色子，它的超对称伙伴超希格斯子应该是费米子如此等等。当然，这些超对称粒子至今一个都没发现。但超对称理论认为，可能这些超对称粒子质量都太大，需要在能量更高的粒子加速器上才能产生。这也是这次强子对撞机要升级的原因，升级完之后，最重要的一个目标就是寻找这些大个头的超对称粒子。
　　超对称理论据称可以解释弱核力和引力为何强度相差悬殊的问题，此外，超对称粒子也是暗物质粒子的理想候选者。
　　如果超对称粒子真的存在，那么基本粒子大家族的成员就翻了一倍。这些粒子肯定也与宇宙处在稳定态还是亚稳定态这个问题密切相关。所以，哪怕目前的计算说我们的宇宙处于亚稳定态，它迟早有一天要毁灭，但超对称粒子一出现，说不定这个结论就翻盘了。
　　那么，现在我们就有双重的理由乐观了。
　　首先，目前顶夸克和希格斯粒子的精确质量都还待定，预言宇宙将要毁灭还为时尚早。
　　其次，哪怕这两个质量精确测量出来了，而且计算结果表明，我们的宇宙的确处于危险的亚稳定态，但这也还不能盖棺论定，只要实验证明超对称粒子存在，那这个结论就依然有被推翻的可能。