用铁磁超流体模拟宇宙的假真空衰变
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在量子场论中，我们可以用一个势能函数来描述一个场的状态。例如，我们可以用一个简单的抛物线来表示一个自由的标量场，它的最低点就是场的真空态，也就是能量最低的状态。但是，有时候，这个势能函数的形状可能更复杂，它可能有多个极小值，其中一个是全局最小值，也就是真正的真空态，而其他的是局部最小值，也就是假真空态。
假真空态的能量虽然比真空态高，但是它们之间有一个能量势垒，阻止了场的直接跃迁。这样，假真空态就可以暂时地存在。但是，这种状态是不稳定的，因为场总是会受到量子涨落的影响，有一定的概率穿越势垒，从假真空态跃迁到真空态，这个过程就叫假真空衰变。 假真空衰变是如何发生的假真空衰变的过程并不是一下子就完成的，而是通过空间局部的气泡的形成来进行的。这些气泡的内部是真空态，而外部是假真空态，它们之间有一个表面张力。这些气泡一旦形成，就会以光速向外扩张，直到占据整个空间，从而完成假真空到真空的转变。 但是，这些气泡的形成并不容易，因为它们需要有一个临界的大小，才能克服表面张力的阻力。如果气泡太小，它们就会收缩并消失，如果气泡够大，它们就会扩张并吞噬周围的假真空。那么，这些气泡是如何形成的呢？答案是，它们是由量子涨落或者热涨落引起的。
量子涨落是由海森堡不确定性原理导致的，它使得场的值在空间和时间上有随机的波动。热涨落是由温度导致的，它使得场的值在有限温度下有随机的热运动。这些涨落有时候会在某个地方产生一个足够大的气泡，从而触发假真空衰变。 这个过程的概率可以用一个叫做瞬子的数学对象来计算，它是一种虚拟的场的构型，它满足欧几里得的运动方程，而不是通常的洛伦兹的运动方程。瞬子可以看作是一个在虚拟的时间维上的圆，它的半径就是临界气泡的大小，它的作用量就是气泡的能量。假真空衰变的概率正比于瞬子的波函数的模的平方，它随着瞬子的作用量的增加而指数地下降。 铁磁超流体中的假真空衰变那么，假真空衰变在自然界中是否有实际的例子呢？答案是肯定的，但是它们很难被观察到，因为它们发生的概率很低，或者它们的尺度很大。例如，宇宙的早期可能经历了多次假真空衰变，导致了宇宙的膨胀和相变，但是这些过程已经无法直接检验了。另一个例子是，标准模型中的希格斯场可能处于一个假真空态，而真正的真空态的能量更低，但是两者之间的势垒非常高，使得假真空衰变的概率非常小，以至于我们无法在可观测的时间内看到它。 因此，为了实验地验证假真空衰变的理论，我们需要找到一个更容易操作和控制的系统，来模拟假真空衰变的过程。这就是最近发表在《自然物理》的一篇论文所做的，他们利用了一种叫做铁磁超流体的系统，来实现了假真空衰变的模拟。 铁磁超流体是一种由铁磁性的玻色子组成的量子气体，它在极低的温度下可以表现出超流性，即没有粘滞的流动。这种系统可以用一个叫做玻色-哈伯德模型的简单模型来描述，它包括了玻色子之间的相互作用和外加的磁场。这个模型有一个对称性，即玻色子的自旋可以指向任何方向，而不改变能量。但是，当我们加上一个沿着某个方向的磁场时，这个对称性就被破坏了，玻色子的自旋会倾向于与磁场平行，这就是铁磁相。 然而，这个相并不是唯一的，还有另一个相，叫做反铁磁相，它的能量更低，但是它与铁磁相之间有一个势垒，这个势垒的高度取决于磁场的强度。当磁场很弱时，势垒很高，铁磁相就是一个假真空态，而反铁磁相就是一个真空态。当磁场很强时，势垒很低，铁磁相就是一个稳定的基态，而反铁磁相就是一个亚稳态。因此，这个系统可以用来模拟假真空衰变的过程，只要我们控制好磁场的强度和温度。
当磁场很弱，温度很低时，系统处于铁磁相，也就是假真空态。这时，由于量子涨落或者热涨落，系统有一定的概率产生一个反铁磁相的气泡，也就是真空态的气泡。这个气泡一旦形成，就会迅速地扩张，将周围的铁磁相转变为反铁磁相，从而完成假真空衰变。这个过程可以用瞬子的理论来计算，得到气泡的形成率和扩张速度。当磁场很强，温度很高时，系统处于反铁磁相，也就是稳定的基态。这时，由于热涨落，系统有一定的概率产生一个铁磁相的气泡，也就是亚稳态的气泡。这个气泡一旦形成，就会缓慢地扩张，但是由于表面张力的作用，它不会无限地增长，而是会达到一个平衡的大小。这个过程可以用亚稳态的理论来计算，得到气泡的形成率和平衡半径。 实验的方法和结果作者使用了一种叫做铷-87的原子，来制备出铁磁超流体的系统。他们利用了一种叫做光晶格的技术，来将原子困在一个三维的周期性的势场中，从而实现了玻色-哈伯德模型的模拟。他们还用了一种叫做拉曼激光的技术，来调节原子的自旋，从而实现了磁场的控制。他们通过改变光晶格的深度和拉曼激光的强度，来探索了不同的参数区域，从而观察了假真空衰变和亚稳态的现象。他们用了一种叫做时间序列的方法，来记录了系统的动力学演化，从而得到了气泡的形成和扩张的过程。他们用了一种叫做吸收成像的方法，来测量了系统的密度和自旋分布，从而得到了气泡的大小和形状。他们的实验结果与理论的预测非常吻合，从而验证了假真空衰变和亚稳态的理论。 |
