Science 版 (精华区)

发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标  题: 4.6 让宇宙沸腾
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年12月26日19:56:21 星期三), 站内信件

孤子也在大自然的至小层次上存在。研究人员注意到，孤子碰撞和相互作用的计算机实
验结 果，看上去令人生疑地很象用基本粒子加速器做出的实验结果。例如，一个孤子方
程的解， 含有称之为纽结和反纽结的东西。当两个纽结孤子相碰撞时，它们象两个反纽
结碰撞一样， 都相互排斥。然而，纽结和反纽结相互吸引。在这种意义上，纽结与反纽
结等同于带异号电 荷的基本粒子。
从孤子的角度思考基本粒子，已成为基本粒子物理学中的一个热门课题。理论工作者把
孤子 概念应用于量子理论，还发现了他们称之为“真空泡沫瞬子”的东西。它可能是宇
宙中最危 险、最奇异的客体。
这一非线性量子客体并不仅是滥用想象的结果，它的含义更令人敬畏。既然瞬子是孤子
与量 子场论的某种特定抽象相融合的产物，其故事就必须用一系列想象和图解来讲述。

设想你是一个在山上行走的能量量子，经过长途跋涉之后，决定下到山谷。在谷底已无
处可 去，因为处处都是〖HTH〗上升的。你的势能处于最小值，故无法再降低势能。你
 所栖息的山谷，物理学家命名为基态。

图4.7 纽结和反纽结以很高的能量相碰 撞。它们的碰撞相互吸引，就
象两个带异号电荷粒子相互吸引一样。(图中文字为：时间) )
但现在假设你获悉山的另一面是一个更深的山谷。你恍然大悟，你的势能实际上不处于
最小 值，因为另一个山谷更低。
当然，到达那条山谷的唯一途径是攀登。也就是说，进一步〖HTH〗向下的唯一办 法是
先向上爬。但那时你是一个有点疲乏的量子，你不具有再进一步攀登 的能量。

现在设想你就是宇宙。量子场论把基本粒子刻划为从量子场的基态(也叫宇宙的真空态)
产生 的激发。当一些额外能量加到这一真空态时，便产生基本粒子；当额外能量离去时
，只有真 空态留下来。真空态无处丧失任何能量。它就是谷底。
但是，如果宇宙周围能量山的另一面存在另一个真空态，存在一个能量更 低的
潜在宇宙，那会怎么样?当然，从你所处的地方无法到达这一较低的真空态。能量山太 
高了。因此，在一定意义上，你的宇宙完全稳定，因为不能翻越高山、落入另一面较深
的真 空态。但在绝对意义上，你的宇宙是不稳定的，因为它的能量相对于另一基态仍然
较高。你 仍然有下落之处。
到现在为止，我们已见过几种情形，其中孤子能够开隧道，穿过能量壁垒，从一个系统
到下 一个系统。量子理论也允许这种开隧道。孤子能够从等离子体外部进入其内部。对
于孤子， 能够从真空态形成一种隧道，从一个真空态穿到另一个真空态去吗?要理解所
提出的理论模 型，需要另一种想象。
如果你把水加热到100℃，当水达到这一温度时，锅底出现许多小气泡，并向上升腾。水
开 始沸腾。(严格说还应加上在1个大气压的条件下。——译者注)开头显现的 气泡，围
绕水中微小尘粒或锅表面的刻痕和缺陷处形成。但是倘若水绝对纯净，没有尘埃， 锅完
全光滑，则出现“过热水”——具有过多能量的水。
尽管过热水被加热得比100℃高几度，它看上去十分正常，没有泡沫泛在表面上。但它不
稳 定。添加一点灰尘，将为泡沫的形成突然提供基核，导致水剧烈沸腾。
现在可完成这个类比，我们宇宙的基态或真空态就象过热水吗?——它表面上足够稳定，
但 是只需要一个基核就可触发整个事物以基本粒子剧烈爆发的形式“沸腾起来”吗?物
理学家 所说的“真空泡沫瞬子”理论认为，孤子泡沫能够从一个基态或宇宙，穿过隧道
到达另一基 态或宇宙。这种假想的泡沫变成一个十分稀奇古怪的实体，因为它的表面属
于我们的宇宙， 它的内部却是外宇宙——它包含另一宇宙的更低的真空态。
图4.8 相距约100英里的平行孤波的卫 星照片。这些孤子要到哪里去?
理论表明，倘若此种泡沫在我们宇宙出现，则它会呈现为以光速向外扩展的一种剧烈扰
动， 产生一个炸开的能量泡沫。
加利福尼亚大学的弗兰普顿(P.H.Frampton)认为，可以设计一台世界末日机，从极高能
量的 激光脉冲相交中产生单个瞬子。仅仅一秒钟后，创生时单个基本粒子大小的瞬子就
会扩展( 300 000)公里，其内包含基本粒子的“蒸汽”。结果好似抛一把灰尘到过热水
中。我们的 宇宙就将开始沸腾。
但愿孤子瞬子纯属假想。但其它孤子肯定是真实的。读者也许会问，所有这些现实世界
的孤 子将会怎样?它们要去何方?
回答是，它们最终死亡。尽管它们出现得有点不可思议，似乎有种魔力在抗拒色散力，
但是 它们的能量却随时间而耗散。例如，水有缓慢侵蚀自身形态的内摩擦或粘性。随着
时间的推 移，孤子回归从中产生自己的浑沌。我们说，时间是最终的溶剂。
并且，此时我们通过关注时间的奥秘，发现了解开诸如孤子这些现象形成之谜的线索。


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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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