在量子場論中，我們可以用一個勢能函數來描述一個場的狀態。例如，我們可以用一個簡單的拋物線來表示一個自由的標量場，它的最低點就是場的真空態，也就是能量最低的狀態。但是，有時候，這個勢能函數的形狀可能更復雜，它可能有多個極小值，其中一個是全局最小值，也就是真正的真空態，而其他的是局部最小值，也就是假真空態。

假真空態的能量雖然比真空態高，但是它們之間有一個能量勢壘，阻止了場的直接躍遷。這樣，假真空態就可以暫時地存在。但是，這種狀態是不穩定的，因為場總是會受到量子漲落的影響，有一定的概率穿越勢壘，從假真空態躍遷到真空態，這個過程就叫假真空衰變。

假真空衰變是如何發生的

假真空衰變的過程并不是一下子就完成的，而是通過空間局部的氣泡的形成來進行的。這些氣泡的內部是真空態，而外部是假真空態，它們之間有一個表面張力。這些氣泡一旦形成，就會以光速向外擴張，直到占據整個空間，從而完成假真空到真空的轉變。

但是，這些氣泡的形成并不容易，因為它們需要有一個臨界的大小，才能克服表面張力的阻力。如果氣泡太小，它們就會收縮并消失，如果氣泡夠大，它們就會擴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致的，它使得場的值在空間和時間上有隨機的波動。熱漲落是由溫度導致的，它使得場的值在有限溫度下有隨機的熱運動。這些漲落有時候會在某個地方產生一個足夠大的氣泡，從而觸發假真空衰變。

這個過程的概率可以用一個叫做瞬子的數學對象來計算，它是一種虛擬的場的構型，它滿足歐幾里得的運動方程，而不是通常的洛倫茲的運動方程。瞬子可以看作是一個在虛擬的時間維上的圓，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的模的平方，它隨著瞬子的作用量的增加而指數地下降。

鐵磁超流體中的假真空衰變

那么，假真空衰變在自然界中是否有實際的例子呢？答案是肯定的，但是它們很難被觀察到，因為它們發生的概率很低，或者它們的尺度很大。例如，宇宙的早期可能經歷了多次假真空衰變，導致了宇宙的膨脹和相變，但是這些過程已經無法直接檢驗了。另一個例子是，標準模型中的希格斯場可能處于一個假真空態，而真正的真空態的能量更低，但是兩者之間的勢壘非常高，使得假真空衰變的概率非常小，以至于我們無法在可觀測的時間內看到它。

因此，為了實驗地驗證假真空衰變的理論，我們需要找到一個更容易操作和控制的系統，來模擬假真空衰變的過程。這就是最近發表在《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，來實現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出超流性，即沒有粘滯的流動。這種系統可以用一個叫做玻色-哈伯德模型的簡單模型來描述，它包括了玻色子之間的相互作用和外加的磁場。這個模型有一個對稱性，即玻色子的自旋可以指向任何方向，而不改變能量。但是，當我們加上一個沿著某個方向的磁場時，這個對稱性就被破壞了，玻色子的自旋會傾向于與磁場平行，這就是鐵磁相。

然而，這個相并不是唯一的，還有另一個相，叫做反鐵磁相，它的能量更低，但是它與鐵磁相之間有一個勢壘，這個勢壘的高度取決于磁場的強度。當磁場很弱時，勢壘很高，鐵磁相就是一個假真空態，而反鐵磁相就是一個真空態。當磁場很強時，勢壘很低，鐵磁相就是一個穩定的基態，而反鐵磁相就是一個亞穩態。因此，這個系統可以用來模擬假真空衰變的過程，只要我們控制好磁場的強度和溫度。

當磁場很弱，溫度很低時，系統處于鐵磁相，也就是假真空態。這時，由于量子漲落或者熱漲落，系統有一定的概率產生一個反鐵磁相的氣泡，也就是真空態的氣泡。這個氣泡一旦形成，就會迅速地擴張，將周圍的鐵磁相轉變為反鐵磁相，從而完成假真空衰變。這個過程可以用瞬子的理論來計算，得到氣泡的形成率和擴張速度。當磁場很強，溫度很高時，系統處于反鐵磁相，也就是穩定的基態。這時，由于熱漲落，系統有一定的概率產生一個鐵磁相的氣泡，也就是亞穩態的氣泡。這個氣泡一旦形成，就會緩慢地擴張，但是由于表面張力的作用，它不會無限地增長，而是會達到一個平衡的大小。這個過程可以用亞穩態的理論來計算，得到氣泡的形成率和平衡半徑。

實驗的方法和結果

作者使用了一種叫做銣-87的原子，來制備出鐵磁超流體的系統。他們利用了一種叫做光晶格的技術，來將原子困在一個三維的周期性的勢場中，從而實現了玻色-哈伯德模型的模擬。他們還用了一種叫做拉曼激光的技術，來調節原子的自旋，從而實現了磁場的控制。他們通過改變光晶格的深度和拉曼激光的強度，來探索了不同的參數區域，從而觀察了假真空衰變和亞穩態的現象。他們用了一種叫做時間序列的方法，來記錄了系統的動力學演化，從而得到了氣泡的形成和擴張的過程。他們用了一種叫做吸收成像的方法，來測量了系統的密度和自旋分布，從而得到了氣泡的大小和形狀。他們的實驗結果與理論的預測非常吻合，從而驗證了假真空衰變和亞穩態的理論。