在量子場(chǎng)論中，我們可以用一個(gè)勢(shì)能函數(shù)來(lái)描述一個(gè)場(chǎng)的狀態(tài)。例如，我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的拋物線來(lái)表示一個(gè)自由的標(biāo)量場(chǎng)，它的最低點(diǎn)就是場(chǎng)的真空態(tài)，也就是能量最低的狀態(tài)。但是，有時(shí)候，這個(gè)勢(shì)能函數(shù)的形狀可能更復(fù)雜，它可能有多個(gè)極小值，其中一個(gè)是全局最小值，也就是真正的真空態(tài)，而其他的是局部最小值，也就是假真空態(tài)。

假真空態(tài)的能量雖然比真空態(tài)高，但是它們之間有一個(gè)能量勢(shì)壘，阻止了場(chǎng)的直接躍遷。這樣，假真空態(tài)就可以暫時(shí)地存在。但是，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，因?yàn)閳?chǎng)總是會(huì)受到量子漲落的影響，有一定的概率穿越勢(shì)壘，從假真空態(tài)躍遷到真空態(tài)，這個(gè)過(guò)程就叫假真空衰變。

假真空衰變是如何發(fā)生的

假真空衰變的過(guò)程并不是一下子就完成的，而是通過(guò)空間局部的氣泡的形成來(lái)進(jìn)行的。這些氣泡的內(nèi)部是真空態(tài)，而外部是假真空態(tài)，它們之間有一個(gè)表面張力。這些氣泡一旦形成，就會(huì)以光速向外擴(kuò)張，直到占據(jù)整個(gè)空間，從而完成假真空到真空的轉(zhuǎn)變。

但是，這些氣泡的形成并不容易，因?yàn)樗鼈冃枰幸粋€(gè)臨界的大小，才能克服表面張力的阻力。如果氣泡太小，它們就會(huì)收縮并消失，如果氣泡夠大，它們就會(huì)擴(kuò)張并吞噬周圍的假真空。那么，這些氣泡是如何形成的呢？答案是，它們是由量子漲落或者熱漲落引起的。

量子漲落是由海森堡不確定性原理導(dǎo)致的，它使得場(chǎng)的值在空間和時(shí)間上有隨機(jī)的波動(dòng)。熱漲落是由溫度導(dǎo)致的，它使得場(chǎng)的值在有限溫度下有隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)。這些漲落有時(shí)候會(huì)在某個(gè)地方產(chǎn)生一個(gè)足夠大的氣泡，從而觸發(fā)假真空衰變。

這個(gè)過(guò)程的概率可以用一個(gè)叫做瞬子的數(shù)學(xué)對(duì)象來(lái)計(jì)算，它是一種虛擬的場(chǎng)的構(gòu)型，它滿足歐幾里得的運(yùn)動(dòng)方程，而不是通常的洛倫茲的運(yùn)動(dòng)方程。瞬子可以看作是一個(gè)在虛擬的時(shí)間維上的圓，它的半徑就是臨界氣泡的大小，它的作用量就是氣泡的能量。假真空衰變的概率正比于瞬子的波函數(shù)的模的平方，它隨著瞬子的作用量的增加而指數(shù)地下降。

鐵磁超流體中的假真空衰變

那么，假真空衰變?cè)谧匀唤缰惺欠裼袑?shí)際的例子呢？答案是肯定的，但是它們很難被觀察到，因?yàn)樗鼈儼l(fā)生的概率很低，或者它們的尺度很大。例如，宇宙的早期可能經(jīng)歷了多次假真空衰變，導(dǎo)致了宇宙的膨脹和相變，但是這些過(guò)程已經(jīng)無(wú)法直接檢驗(yàn)了。另一個(gè)例子是，標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯場(chǎng)可能處于一個(gè)假真空態(tài)，而真正的真空態(tài)的能量更低，但是兩者之間的勢(shì)壘非常高，使得假真空衰變的概率非常小，以至于我們無(wú)法在可觀測(cè)的時(shí)間內(nèi)看到它。

因此，為了實(shí)驗(yàn)地驗(yàn)證假真空衰變的理論，我們需要找到一個(gè)更容易操作和控制的系統(tǒng)，來(lái)模擬假真空衰變的過(guò)程。這就是最近發(fā)表在《自然物理》的一篇論文所做的，他們利用了一種叫做鐵磁超流體的系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)了假真空衰變的模擬。

鐵磁超流體是一種由鐵磁性的玻色子組成的量子氣體，它在極低的溫度下可以表現(xiàn)出超流性，即沒(méi)有粘滯的流動(dòng)。這種系統(tǒng)可以用一個(gè)叫做玻色-哈伯德模型的簡(jiǎn)單模型來(lái)描述，它包括了玻色子之間的相互作用和外加的磁場(chǎng)。這個(gè)模型有一個(gè)對(duì)稱性，即玻色子的自旋可以指向任何方向，而不改變能量。但是，當(dāng)我們加上一個(gè)沿著某個(gè)方向的磁場(chǎng)時(shí)，這個(gè)對(duì)稱性就被破壞了，玻色子的自旋會(huì)傾向于與磁場(chǎng)平行，這就是鐵磁相。

然而，這個(gè)相并不是唯一的，還有另一個(gè)相，叫做反鐵磁相，它的能量更低，但是它與鐵磁相之間有一個(gè)勢(shì)壘，這個(gè)勢(shì)壘的高度取決于磁場(chǎng)的強(qiáng)度。當(dāng)磁場(chǎng)很弱時(shí)，勢(shì)壘很高，鐵磁相就是一個(gè)假真空態(tài)，而反鐵磁相就是一個(gè)真空態(tài)。當(dāng)磁場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，勢(shì)壘很低，鐵磁相就是一個(gè)穩(wěn)定的基態(tài)，而反鐵磁相就是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)。因此，這個(gè)系統(tǒng)可以用來(lái)模擬假真空衰變的過(guò)程，只要我們控制好磁場(chǎng)的強(qiáng)度和溫度。

當(dāng)磁場(chǎng)很弱，溫度很低時(shí)，系統(tǒng)處于鐵磁相，也就是假真空態(tài)。這時(shí)，由于量子漲落或者熱漲落，系統(tǒng)有一定的概率產(chǎn)生一個(gè)反鐵磁相的氣泡，也就是真空態(tài)的氣泡。這個(gè)氣泡一旦形成，就會(huì)迅速地?cái)U(kuò)張，將周圍的鐵磁相轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁相，從而完成假真空衰變。這個(gè)過(guò)程可以用瞬子的理論來(lái)計(jì)算，得到氣泡的形成率和擴(kuò)張速度。當(dāng)磁場(chǎng)很強(qiáng)，溫度很高時(shí)，系統(tǒng)處于反鐵磁相，也就是穩(wěn)定的基態(tài)。這時(shí)，由于熱漲落，系統(tǒng)有一定的概率產(chǎn)生一個(gè)鐵磁相的氣泡，也就是亞穩(wěn)態(tài)的氣泡。這個(gè)氣泡一旦形成，就會(huì)緩慢地?cái)U(kuò)張，但是由于表面張力的作用，它不會(huì)無(wú)限地增長(zhǎng)，而是會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡的大小。這個(gè)過(guò)程可以用亞穩(wěn)態(tài)的理論來(lái)計(jì)算，得到氣泡的形成率和平衡半徑。

實(shí)驗(yàn)的方法和結(jié)果

作者使用了一種叫做銣-87的原子，來(lái)制備出鐵磁超流體的系統(tǒng)。他們利用了一種叫做光晶格的技術(shù)，來(lái)將原子困在一個(gè)三維的周期性的勢(shì)場(chǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)了玻色-哈伯德模型的模擬。他們還用了一種叫做拉曼激光的技術(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)原子的自旋，從而實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)的控制。他們通過(guò)改變光晶格的深度和拉曼激光的強(qiáng)度，來(lái)探索了不同的參數(shù)區(qū)域，從而觀察了假真空衰變和亞穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象。他們用了一種叫做時(shí)間序列的方法，來(lái)記錄了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)演化，從而得到了氣泡的形成和擴(kuò)張的過(guò)程。他們用了一種叫做吸收成像的方法，來(lái)測(cè)量了系統(tǒng)的密度和自旋分布，從而得到了氣泡的大小和形狀。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論的預(yù)測(cè)非常吻合，從而驗(yàn)證了假真空衰變和亞穩(wěn)態(tài)的理論。