清华大学物理学家利用里德堡原子环成功模拟了“伪真空衰减”。该理论认为宇宙可能处于暂时的不稳定状态，一旦发生能级跃迁将引发毁灭性的物理重写。该实验为统一相对论与量子力学提供了重要的研究平台。
虽然我们的宇宙看起来非常稳定，但它可能只是处于一种暂时的、虚假的平静状态中，这种状态随时可能在转瞬之间破裂。在物理学中，我们通常认为真空是宇宙的最低能量状态，但有一种可能性一直让科学家们感到不安，那就是目前的真空可能只是一个“伪真空”，在它之下，或许还存在一个能量更低、更稳定的真状态。
这就是量子理论中最令人恐惧的概念之一：伪真空衰减。理论上来说，如果宇宙中某个角落的空间切换到了这种更低能量的状态，它就会像肥皂泡一样迅速扩张，并以光速席卷整个宇宙。在这个过程中，它会彻底改写现有的物理法则，摧毁我们已知的一切。现在，由清华大学物理学家领导的一个研究团队在实验室环境中找到了一种模拟这一过程的方法。
科学家们为什么要模拟这种听起来像世界末日的场景？其实，伪真空衰减并不总是意味着宇宙的毁灭。从更广泛的意义上来说，它恰好处于量子理论与相对论的交汇点。长期以来，描述宏观世界、高速度运动的相对论和描述原子、亚原子尺度微观世界的量子场论一直格格不入。物理学家非常希望找到一种能够统一这两个领域的理论，而伪真空衰减这种在极端条件下让两者产生重叠的现象，正是绝佳的研究切入点。
为了理解这个过程，我们可以把能量分布想象成一片拥有许多湖泊的高原。有些湖泊比较浅，有些则比较深，而在所有湖泊之下，可能还有一个更深的地心盆地。如果其中一个湖泊的底部裂开了一个通道，湖水就会倾泻到更深的盆地中。在宇宙真空中，如果发生类似的事情，一个小区域会突然翻转到更低的能量状态，形成一个量子“泡沫”。一旦这个泡沫超过临界尺寸，它就会向外扩张，将接触到的一切物质转化为全新的物理状态。
清华大学的研究团队并没有真的去捅破宇宙的真空，而是使用了一组里德堡原子作为替代品。在普通原子中，电子紧紧围绕着原子核，但如果你给原子注入大量能量，它的电子云就会像充了气一样膨胀，变得非常大。这种膨胀后的原子就是里德堡原子，它们的直径可以达到几微米，电子的束缚极其松散，这使得它们在实验中表现得非常活跃且易于观察。
研究人员将偶数个互相排斥的里德堡原子排列成一个环状，在这种排列下，每个原子的自旋方向都会与相邻的原子相反，形成一种对称的、交替的排列模式。随后，他们利用激光激发这些原子，打破了原有的对称性。这使得这个原子环能够以两种略有不同的能量状态存在，其中一种代表“伪真空”，另一种则代表“真真空”。
实验观察到，这个略显混乱的原子环会向首选的基态发生衰减，其衰减速率取决于激光破坏对称性的强度。这与目前科学界公认的伪真空衰减机制高度一致，即通过形成包含真真空的量子泡沫来驱动能量转换。
虽然这项实验并没有直接揭示关于宇宙命运的新秘密，但它证实了关于这一过程如何进行的理论预测。这意味着，清华大学团队构建的这套里德堡原子系统为物理学家提供了一个全新的“游乐场”，让他们能够在量子物理与相对论碰撞的荒野地带进行深入探索。也许在未来的某一天，这项研究能告诉我们，到底该在多大程度上担心宇宙突然变成另一种完全陌生的样子。目前，这项研究成果已经发表在《物理评论快报》上。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。
