宇宙将如何终结？实验模拟最可怕方式

　　在所有宇宙可能的终结方式中，最令人担忧的一种被称为“假真空衰变”（False Vacuum Decay）。一项新的研究模拟了关于“假真空衰变”如何发生的理论预测。

　　与其它宇宙末日理论——那些通常是在遥远未来才需要面对的问题——不同，“假真空衰变”可能就在此时此地发生，也可能发生在宇宙中的任何地方、任何时间，且毫无预兆。更特别的是，我们甚至可以在实验室中模拟它。

　　先别管宇宙无限膨胀最终走向“热寂”（Heat Death）的情境，也别去想宇宙膨胀逆转导致“大挤压”（Big Crunch）的结局，那些都是从宏观尺度来看宇宙终结的理论。但如果真正的危机不在那里，而是在微观量子世界中呢？那么我们面对的就是“假真空衰变”。

　　在量子场论中，物理系统倾向于处于能量最低的状态，也就是所谓的“基态”（ground state）或“真真空”（true vacuum）。

　　较高能量的状态有时也可能是“亚稳定”（metastable）的；这表示它们虽然不是全域最低能量，但因为存在位能“势垒”（energy barrier），可以维持非常长的时间，甚至看似就像永恒。

　　但根据量子力学，这些亚稳态仍然有概率透过“量子隧穿效应”（Quantum Tunneling）发生“假真空衰变”，即在受到扰动后，或者甚至自发地，跌落到真正的基态——即转变到能量更低的“真真空”。

　　现在想像一下：整个宇宙以及它的所有性质，也就是我们认为的“基态”，其实可能根本不是最低能量状态，不是真正的“真真空”，而只是处于一个“假真空”（false vacuum）。在更深层的地方，存在着一个更稳定的状态。

　　某一天，宇宙可能突然切换到那个真正的“真真空”，使我们所处的“假真空”彻底改变：

　　一旦“假真空”在空间中的某个点成功“隧穿”到更低能量的真空，这会形成一个“真真空”的“泡泡”（bubbles），这个“泡泡”会以接近光速向外扩张，所到之处会彻底改变那里的宇宙的物理性质。至于那个改变后的新宇宙的特性是什么，我们无从得知，因为在那一瞬间，现有的物质结构（包括我们自己）都将不复存在。

　　目前并没有任何证据表明我们生活在“假真空”中，也没有人正在进行寻找“真真空”的实验，所以其实不需要担心。不过，“假真空衰变”这个问题本身非常迷人，过去几年中已有一些实验对它进行研究。有些研究观察“泡泡”的形成，另一些则利用量子装置来模拟这种量子现象。

　　利用里德堡原子模拟一维量子伊辛模型

　　在一项新实验中，物理学家使用了“里德堡原子”（Rydberg atoms，又译为“芮得柏原子”）。这些原子处于激发态，它们的电子被提升到更高的轨域上；但与一般的激发态不同的是，这些轨域极其巨大，使得原子的尺寸远远超过普通原子，有时甚至比未激发状态大上1万到10万倍。

　　这种夸张的尺寸非常适合用来进行各种实验。在新研究中，这些原子被排列成一个环状结构，每个原子旁边都是一个自旋方向相反的原子，形成了一种交替的磁性排列（反铁磁序），这构成了一个稳定的基态。

　　接着，研究团队利用雷射为这些原子赋予了更多能量，使所有原子的自旋方向一致。这个状态就模拟了里德堡原子环中的“假真空状态”。研究重点在于，观察这些原子是如何“隧穿”回原始基态的。

　　研究发现，它们衰变回基态的速度，取决于雷射本身的强度。

　  示意图 (Shutterstock)

　　如前所述，这项实验的目的并不是直接研究“假真空衰变”是否真会成为宇宙终结方式，而是把它当作一种量子力学情境来探索。不过，这项工作带来了新的理解，而使用里德堡原子来建构这种几何结构——即模拟一维量子伊辛模型（Ising Model），为未来进行更复杂的实验开辟了可能性。

　　这项研究于3月27日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）期刊上。