在现代对宇宙的理解中起着重要作用的一个重要概念是真空，即拉丁语中的真空（vacua），即“真空”一词的复数形式。
您可能知道，物理学家称真空为没有任何东西的空空间-既没有空气，也没有飞出的基本粒子。 但是，复数形式中的真空的概念有些奇怪。 显然，此概念还添加了其他内容！ 这就是我将要解释的。
理论可以描述空白
首先，让我提醒您什么是物理理论。 这不是推理或想法； 这是更具体的东西。 理论是一组方程式和相关概念，可让科学家对物理对象的行为做出预测。 有些理论必须描述现实世界。 大多数理论描述了虚构的世界； 但任何合理的理论都会做出一致的预测并描述可能世界的各个方面。
例如，牛顿的重力理论（其中位于距离r处的两个物体之间的重力与1 / r
2成正比）大致描述了现实世界中正在发生的事情。 可能还有另一种引力理论，其中力与1 / r
3成正比。 这仍然是一个物理理论，因为它明确地预测了物体由于重力而应如何相互吸引，但是它将描述一个虚构的世界，而不是我们的真实世界。 这是一个完全正常的物理理论，但没有描述我们世界的本质。
一些理论（当然不是全部）必须不仅描述对象，而且还必须以空白空间（也称为真空）的形式描述对象的缺失。 在牛顿时代，空白很简单。 就是那样，只是空白。 但是多年来，空白空间变得越来越复杂。 在十九世纪，人们已经知道在空旷的空间中有田野-今天，我们认为田野是宇宙的基本方面，因此它们非常重要！
领域
字段是一个实体，可以在任何给定时间在空间的任何地方产生变化。 在日常生活中，我们会遇到一个以空气温度形式出现的场-在任何时间，任何地方，您都可以测量温度，如果您知道整个空间的温度，那么您会知道此时的温度场。 但是此示例不适合我们，因为在存在空气的情况下空气温度是有意义的，并且在空的空间中温度场是没有意义的。
更好的例子是电场（负责雷电，静电粘附和电线中的电流）。 电场是自然的基本场，即使在空旷的空间中也存在。 对于自然的所有基本场，包括W场，电子场，μ子场等，包括现在著名的希格斯场，都是如此。
真空与真空
因此，当我们谈论空白空间时，我们指的是尽可能多的空白空间。 从某种意义上说，它是空的，因为其中没有粒子，甚至没有光（光子）粒子。 并且粒子是长寿命的，并且仅具有场干扰。 但是从某种意义上讲，由于电场，W场，Higgs场一直存在，所以它不是空的！ 您不能用简单的短语“空空间”来定义真空，因为我们不仅需要说其中没有粒子，还需要说出在这个空空间中场究竟在做什么。 也就是说，我们需要在此真空中确定字段的配置。
在一定的真空度下，可以调整磁场，以使大多数磁场的平均值为零。 平均而言，因为量子涨落保证了值的轻微抖动。 但是其中一些可能并非平均为零。 对于我们的真空而言，这是正确的-除希格斯场外，所有场均平均为零，希格斯场的平均值非零且在宇宙的整个可见部分均恒定（量子抖动除外）。 这很重要！ 如果希格斯场的平均值为零，就无法知道我们所知道的世界-我们根本就不会在其中。
宇宙中可能存在几种不同的真空状态。 就是说，空间可以通过多种方式尽可能地变空-即使不存在任何粒子，也可以通过多种方式来调整宇宙的场。 类似地，描述宇宙的理论可以预测不止一种真空的存在。 这种理论的一个例子是标准模型，该模型用于描述和预测已知基本粒子的行为以及自然界的相互作用（不包括更神秘的元素：引力，暗物质和暗能量）。 现在，在我们测量了希格斯粒子的质量之后，我们知道标准模型预测了两个不同的真空度-其中一个希格斯场具有我们观察到的值，而另一个则更大。 通常，该理论预言了存在两种非常不同的空白空间行为方式的可能性。
图 1个但是，让我们澄清一下。 一种称为“标准模型”的理论会针对“标准模型”所描述的虚构世界进行预测。 我们还没有从实验中知道标准模型是否描述了真实的宇宙，也就是说，标准模型的假想宇宙和我们生活的真实宇宙是否足够相似，以至于标准模型（理论）的预测与所有实验的所有结果都一致（数据）。 因此，我们不知道标准模型在现实世界中是否预测有两个真空。
真空就像碗底
我将描述真空的主要特性之一。 相同的属性允许球停在碗的底部。
图 2碗的底部对于球是稳定的。 如果沿任何方向将球移动一小段距离，球都会后退，变得稍微贵一点，然后摩擦力会将球停在最底端。 当您将球从底部移至一小段距离时，其能量（与地球重力的相互作用）会增加，并且倾向于通过返回到重力最小的起点来降低此能量。 稳定位置是指球的任何运动都会增加或至少不会减少其能量的位置。 因此，如果您可以移动球以减少其能量，则球将沿该方向滚动并且不一定会返回-在这种情况下，初始电流将不会处于稳定位置。
根据定义，真空是宇宙场和宇宙本身的稳定结构。“如果有人在真空中稍微改变场的值，那么场的值将趋于回到其初始位置，然后它们会稍微回旋并平静下来。真空是场的结构，对于宇宙的能量是最小的；场的任何细微变化都会导致宇宙的能量增加（或至少不会导致减少），并且场将总是倾向于在真空中返回其值。
图 3：不同的碗具有不同的稳定位置让我们回到舞会上。 您可以想象一个情况，我有两个相同的碗，每个碗的位置都稳定。 或者，您可以想象一个形状奇怪的碗，它在两个不同的高度处于不同的稳定位置。 或者您可以想象一个具有许多稳定位置的更复杂的碗。 您可以想象我们如何将球置于图1所示的不同位置之一。 3个箭头，并无限期地停留在此，因为球位置的任何微小变化都不足以将其从一个稳定位置移动到另一个稳定位置（量子隧穿效应使这种情况复杂化，但是下一次我们将讨论它）。
类似地，宇宙可以拥有-或宇宙理论可以预测-多个稳定场的配置，即多个真空。 尽管简单的理论通常很少，但没有人限制可能的真空的数目。 只有具有多种领域的理论通常具有许多真空。 事实证明，这个问题（虽然不是直接的）与我们的宇宙中有多少种类型的字段有关？ 只知道我们吗？ 还是成千上万？
我们的宇宙有很多真空吗？
标准模型如何预测我们的宇宙中存在两个真空？ 首先，很容易显示（如果您知道如何计算）标准模型中的每个基本字段（希格斯字段除外）在任何真空中均应为零平均值。 但是希格斯领域却并非如此。 它可以在我们已知的真空中拥有平均值且非零，并且可以在任何其他可能的真空中拥有。 为了找出希格斯场的稳定值是多少，我们计算了空白空间的能量，作为希格斯场平均值的函数。 有趣的是，今天的物理学家可以进行非常详细的计算，因为它们已经：
•准确测量上夸克的质量，
•发现希格斯粒子（根据标准模型，只有一个物种），并且
•测量了希格斯粒子的质量。
结果，他们得出了类似于图2所示的结论。 4.像无花果中间的一个双碗。 3，它有两个稳定的位置，球的任何运动都会增加它的能量，即希格斯场的能量，标准模型预测两个最小值。 这意味着在图1中有两个真空箭头所示。 参照图4，其特性示于图4。 1：一个已知的真空，其希格斯场的值较小，另一个已知的真空，其值较大。
外来真空的确切位置和深度（希格斯场的值和空白空间的能量）是一个悬而未决的问题。 它们很大程度上取决于上夸克和希格斯粒子的质量，根据大强子对撞机的数据，我们对它们的理解可能仍会发生微小但重要的变化。 图 图4显示了当前的最佳猜测，其中我们的真空比外来能量多。
图 4但是您必须始终记住，标准模型可能无法很好地描述我们的宇宙，因此所有这些结论都是正确的。 我们已经知道标准模型没有考虑重力，暗物质和暗能量； 它可能没有考虑到未知颗粒的整个过程。 甚至可能存在其他类型的希格斯粒子。 因此，我们对自己一无所知。 在我们的宇宙中，只能有一个真空，或者三个，一百个甚至更多。 宇宙真空的研究仍然是活跃的研究领域，原则上可以持续几个世纪。