清華團(tuán)隊(duì)重磅突破：在實(shí)驗(yàn)室里，首次模擬宇宙真空的衰變

我們總以為，宇宙的真空是一片空無一物、永恒穩(wěn)定的虛空。

但在量子物理的視角里，這片看似平靜的真空從來都不是真正的空，更不是宇宙的能量最低點(diǎn)。

它更像是山間一處暫時穩(wěn)定的水洼，看起來風(fēng)平浪靜，實(shí)則腳下還有一個更深、更穩(wěn)定的巨大盆地。

只要量子隧穿效應(yīng)讓水洼破開一道缺口，里面的水就會向著盆地奔涌而去。

這個過程，就是量子場論中最宏大也最神秘的現(xiàn)象：假真空衰變。

如今，來自清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，在可編程的里德堡原子環(huán)中，實(shí)現(xiàn)了對假真空衰變與氣泡成核過程的精準(zhǔn)量子模擬，驗(yàn)證了其核心物理規(guī)律，讓我們在桌面級的實(shí)驗(yàn)臺上，用微米尺度的原子陣列，觸碰到了真空世界的終極規(guī)律。

這項(xiàng)研究于2026年3月發(fā)表在《物理評論快報》上。

想要理解這個實(shí)驗(yàn)，首先要弄明白假真空衰變到底是什么。

在量子場論的框架里，真空不是虛無，而是量子場的最低能量狀態(tài)。

如果量子場的能量地形里有多個低洼處，那些位置更高、暫時穩(wěn)定的低洼，就是假真空；而位置最低、最穩(wěn)定的那個，就是真真空。

假真空里的量子場，就像卡在半山腰石縫里的石頭，看著不會動，可一旦通過量子隧穿翻過了石縫，就會一路墜落到山底，釋放出巨大的能量。

更關(guān)鍵的是，一旦宇宙中某個角落出現(xiàn)了真真空的氣泡，只要它超過臨界尺寸，就會以接近光速的速度膨脹，吞噬沿途的一切，進(jìn)而把整個宇宙的物理規(guī)則徹底改寫。

這個過程最特別的地方，在于它同時踩在了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石上：

初始的量子隧穿是純粹的微觀量子效應(yīng)，可它帶來的后果，卻是整個宇宙尺度的宏觀變化，必須用相對論才能描述。

而量子力學(xué)和相對論的統(tǒng)一，恰恰是物理學(xué)界最大的謎題之一。

我們既沒法在宇宙中找到正在發(fā)生的真空衰變，也很難用常規(guī)實(shí)驗(yàn)?zāi)M這個橫跨微觀與宏觀的過程，直到可編程的里德堡原子陣列這種特殊的量子模擬器走向成熟。

里德堡原子，堪稱原子世界里的巨無霸。

普通銣原子的電子緊緊圍繞著原子核運(yùn)動，整個原子直徑不到0.1納米；而里德堡原子的電子被激光激發(fā)到70S的高里德堡能級，它會跑到離原子核極遠(yuǎn)的地方，讓整個原子的直徑膨脹上千倍，達(dá)到微米級別。

這就像一個吹到極致的氣球，它的結(jié)構(gòu)格外松散，原子之間會產(chǎn)生隨距離六次方反比衰減的范德華排斥力，對外界的微小擾動也異常敏感，剛好能用來模擬量子場里的微妙變化。

團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計巧妙得令人驚嘆。

他們把偶數(shù)個銣原子精準(zhǔn)地排成一個完美的圓環(huán)，用兩束激光耦合原子的基態(tài)和高里德堡態(tài)，編碼出等效的自旋1/2系統(tǒng)，再通過激光操控讓原子形成基態(tài)-里德堡態(tài)交替排列的反鐵磁序結(jié)構(gòu)，就像一排小磁針，相鄰兩個永遠(yuǎn)指向相反的方向。

隨后，他們用位點(diǎn)精準(zhǔn)的尋址激光，給交替排列的原子施加了交錯的能量失諧，打破了原本的對稱平衡：原本能量完全簡并的兩種反鐵磁序結(jié)構(gòu)，一個成為了能量更高、暫時穩(wěn)定的假真空，另一個則成為了能量更低的真真空。

就這樣，一個桌面級的假真空衰變量子模擬系統(tǒng)，在微米尺度的原子環(huán)上搭建完成了。

實(shí)驗(yàn)的核心發(fā)現(xiàn)，厘清了學(xué)界對真空衰變模擬的關(guān)鍵認(rèn)知：

衰變過程是否符合量子場論的理論預(yù)言，完全取決于初始量子態(tài)的制備。

如果只是簡單制備無糾纏的、交替排列的直積態(tài)，它的衰變規(guī)律會在弱對稱破缺場下顯著偏離理論預(yù)測。

但如果先通過絕熱操控，把系統(tǒng)制備成真正的糾纏亞穩(wěn)態(tài)，也就是最貼合假真空物理本質(zhì)的預(yù)淬火基態(tài)，它的衰變速度就會嚴(yán)格遵循理論預(yù)言：衰變率會隨著對稱破缺場的倒數(shù)呈指數(shù)級抑制。

這個結(jié)果，完美復(fù)刻了量子場論中假真空衰變的核心標(biāo)度規(guī)律，更證明了這一規(guī)律不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)伊辛模型，在包含長程范德華相互作用的廣義伊辛模型中同樣成立。

更有意思的是，團(tuán)隊(duì)還觀測到了離散量子系統(tǒng)獨(dú)有的共振氣泡成核現(xiàn)象。

假真空衰變從來不是整個系統(tǒng)瞬間完成的，而是先在某個位置出現(xiàn)一個真真空的微小氣泡，等氣泡長到臨界大小，才會快速擴(kuò)散。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的能量條件剛好匹配時，特定大小的氣泡會被共振激發(fā)：1個、2個、3個原子長度的真真空氣泡，會分別在對應(yīng)的能量條件下出現(xiàn)顯著的密度峰值，就像琴弦遇到匹配的頻率會發(fā)出洪亮的共振聲。

這一觀測直接證實(shí)了氣泡成核是假真空衰變核心驅(qū)動力的理論猜想。

這場實(shí)驗(yàn)，并沒有真的在實(shí)驗(yàn)室里制造出足以吞噬宇宙的真空氣泡，卻為我們打開了一扇全新的大門。

它用可操控、可觀測的固態(tài)量子系統(tǒng)，精準(zhǔn)驗(yàn)證了假真空衰變的完整動力學(xué)規(guī)律，證明了里德堡原子陣列是研究這類多體量子隧穿現(xiàn)象的絕佳平臺。