清華團隊重磅突破：在實驗室里，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。

它更像是山間一處暫時穩定的水洼，看起來風平浪靜，實則腳下還有一個更深、更穩定的巨大盆地。

只要量子隧穿效應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象：假真空衰變。

如今，來自清華大學的科研團隊，在可編程的里德堡原子環中，實現了對假真空衰變與氣泡成核過程的精準量子模擬，驗證了其核心物理規律，讓我們在桌面級的實驗臺上，用微米尺度的原子陣列，觸碰到了真空世界的終極規律。

這項研究于2026年3月發表在《物理評論快報》上。

想要理解這個實驗，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。

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

更關鍵的是，一旦宇宙中某個角落出現了真真空的氣泡，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，進而把整個宇宙的物理規則徹底改寫。

這個過程最特別的地方，在于它同時踩在了現代物理學的兩大基石上：

初始的量子隧穿是純粹的微觀量子效應，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。

而量子力學和相對論的統一，恰恰是物理學界最大的謎題之一。

我們既沒法在宇宙中找到正在發生的真空衰變，也很難用常規實驗模擬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到70S的高里德堡能級，它會跑到離原子核極遠的地方，讓整個原子的直徑膨脹上千倍，達到微米級別。

這就像一個吹到極致的氣球，它的結構格外松散，原子之間會產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。

團隊的實驗設計巧妙得令人驚嘆。

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

隨后，他們用位點精準的尋址激光，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構，一個成為了能量更高、暫時穩定的假真空，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，在微米尺度的原子環上搭建完成了。

實驗的核心發現，厘清了學界對真空衰變模擬的關鍵認知：

衰變過程是否符合量子場論的理論預言，完全取決于初始量子態的制備。

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

但如果先通過絕熱操控，把系統制備成真正的糾纏亞穩態，也就是最貼合假真空物理本質的預淬火基態，它的衰變速度就會嚴格遵循理論預言：衰變率會隨著對稱破缺場的倒數呈指數級抑制。

這個結果，完美復刻了量子場論中假真空衰變的核心標度規律，更證明了這一規律不僅適用于標準伊辛模型，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，團隊還觀測到了離散量子系統獨有的共振氣泡成核現象。

假真空衰變從來不是整個系統瞬間完成的，而是先在某個位置出現一個真真空的微小氣泡，等氣泡長到臨界大小，才會快速擴散。

團隊發現，當系統的能量條件剛好匹配時，特定大小的氣泡會被共振激發：1個、2個、3個原子長度的真真空氣泡，會分別在對應的能量條件下出現顯著的密度峰值，就像琴弦遇到匹配的頻率會發出洪亮的共振聲。

這一觀測直接證實了氣泡成核是假真空衰變核心驅動力的理論猜想。

這場實驗，并沒有真的在實驗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、可觀測的固態量子系統，精準驗證了假真空衰變的完整動力學規律，證明了里德堡原子陣列是研究這類多體量子隧穿現象的絕佳平臺。