我们的宇宙是绝对稳定的吗？在量子场论的图景中，“真空”并非空无一物，而是能量最低的状态。然而，如果当前的宇宙只是停留在一个局部能量最低点（即“伪真空”），那么它就有可能通过量子隧穿效应，跨越能量势垒，向真正的能量最低点（即“真真空”）发生衰变，并造成当前宇宙的毁灭。这一猜想在1977年由西德尼·科尔曼（Sidney Coleman）提出，他将这一过程称为伪真空衰变（False Vacuum Decay）。
有趣的是，理论发现宇宙的伪真空衰变与经典系统中的亚稳态衰变（例如过冷气体的凝结过程），以及离散量子体系中的量子隧穿效应，有类似的动力学特性。由于宇宙中的伪真空衰变无法直接观察，近几年实验者们将目光投向了更易于操控的离散量子体系。近日，清华大学物理系尤力教授和郑盟锟副教授的研究团队利用里德堡原子阵列平台，成功模拟了反铁磁伊辛模型中的伪真空衰变过程，观测到了真空气泡的成核与生长。此外，他们创新性地探讨了不同初态对衰变过程的影响，发现其衰变展现出截然不同的动力学行为与标度律。
要模拟复杂的场论过程，实验平台必须具备极高的可控性。研究团队使用里德堡原子阵列作为模拟器，里德堡原子之间具有极强的、随距离的六次方衰减的范德华相互作用。实验中，研究人员将原子排列成环状，通过交错施加的单原子寻址激光，巧妙构造出反铁磁序的对称性破缺场。在这里，原子链两种相反的结构状态近似对应着场论中的“伪真空”和“真真空”。全局施加的里德堡激发光为系统提供量子涨落，驱动伪真空态的衰变（如图1）。
图 1: (a) 在环形里德堡原子阵列中模拟伪真空衰变的实验平台示意图，其中蓝色圆点代表87Rb原子。(b) 伪真空背景下的量子隧穿与气泡成核过程原理图。
实验的核心亮点之一在于对衰变过程的精细观测以及对衰变速率的定量研究。当系统从伪真空态出发，真空气泡逐渐产生并扩张，反铁磁序参量随时间展现出指数衰减的典型行为，这是该衰变过程非微扰特性的直接证明[图2(a)]。除此之外，研究团队还深入探讨了不同初态对衰变过程的影响。通过改变初始量子态的制备方式，他们发现具有量子纠缠的初始态（Pre-Quench Ground state, PQG state）相比较简单的反铁磁直积态（Néel state）在相同条件下的衰变更加缓慢和稳定。并且，数值模拟的结果表明，PQG态的衰变速率随对称性破缺场强度的倒数呈指数级下降，而Néel态的衰变速率在弱场下趋于饱和（图3）。这一结果与量子场论中的理论预言高度吻合，定量地揭示了衰变动力学的内在规律。
图 2: (a) 从反铁磁直积态(Néel state)出发，反铁磁序参量随时间的演化。图中不同颜色的数据点代表不同强度的对称性破缺场，直线代表对实验数据的指数拟合结果。(b-c) 在两种不同强度的对称性破缺场下，PQG态（橙色五角形）的衰变速度显著低于Néel态（蓝色方形）。(d-e) 两种初态的衰变速率与对称性破缺场强度的关系。
除了对宏观序参量的研究，原子阵列实验平台的单原子探测能力使得研究者可以对气泡成核（Bubble Nucleation）的动态过程精确追踪。结合完整的参数调控能力，他们构造出与反铁磁直积态能量共振的特殊构型，并展示了对特定长度真空气泡的激发（如图3）。这项工作不仅展示了里德堡原子平台在模拟宇宙学问题上的巨大潜力，也为理解非平衡量子多体动力学提供了新的视角。
图 3：(a) 在共振条件下，演化末态与希尔伯特空间中各直积态的重叠系数。(b) 在共振条件下，不同长度的真空气泡密度随演化时间的变化。(c-e) 通过对参数的控制，可实现对长度为1,2,3的真空气泡的选择性激发。
研究成果以“里德堡原子阵列中伪真空衰变与气泡成核现象的实验观测”（Probing False Vacuum Decay and Bubble Nucleation in a Rydberg Atom Array）为题，于2026年3月27日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。清华大学物理系2021级博士生晁雨欣、2022级博士生葛培云为论文共同第一作者，郑盟锟副教授、“水木学者”王霄博士后和尤力教授为通讯作者。其他合作者包括康奈尔大学物理系博士后王骁，清华大学物理系研究员吕嵘及物理系博士生华振兴、贾晨、梁昕晖、岳宗沛。该研究得到了国家自然科学基金、科技部、清华大学低维量子物理全国重点实验室、北京量子信息科学研究院、量子信息前沿科学中心和合肥国家实验室（2030项目）的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1103/kqzq-fnr4
