量子物理学において、真空よりも低エネルギー状態である「真の真空」は安定しているが、それよりも高いエネルギー状態にある「偽の真空（メタ安定状態）」は見かけ上安定しており、突如として真の真空へと移行する可能性が理論的に指摘されてきた。
もし我々の宇宙が偽の真空状態にある場合、量子トンネル効果によって「偽の真空崩壊」と呼ばれる現象が引き起こされ、宇宙全体が一瞬で消滅する「終末シナリオ」が現実のものとなる可能性がある。このシナリオは極めて低確率ながら、物理学者の間で議論されてきた。
量子シミュレーションで再現された偽の真空崩壊
このたび、中国の研究チームが学術誌『Physical Review Letters』に発表した研究によると、量子シミュレーションを用いて偽の真空崩壊を再現することに成功した。これにより、理論上の宇宙消滅現象の検証が現実的な実験レベルで可能となった。
1970年代から提唱されてきた偽の真空崩壊理論では、量子トンネル効果によって粒子がエネルギー障壁を超える現象が鍵となる。通常であればエネルギー不足で通過できない障壁を、量子効果により突破することで、偽の真空が真の真空へと移行する可能性が示唆されてきた。
「宇宙規模でこの理論を検証することは不可能ですが、高度に制御可能な量子シミュレーターの開発により、机上実験でこれらの劇的なトンネル現象を再現し、研究することが可能になりました」
— 清華大学物理学者、Meng Khoon Tey氏
同氏は、Phys.orgの取材に対しこのように語った。また、2025年に発表された別の研究では、強力な量子コンピューターを用いて偽の真空崩壊をシミュレーションした事例も報告されている。
リング状の原子配列で再現された量子トンネル効果
最新の実験では、中国の研究チームがリュードベリ原子と呼ばれる特殊な原子をリング状に配置し、隣接する原子同士が反発するように配置した。リュードベリ原子とは、最外殻電子が高エネルギー状態にあり、通常の原子よりも大きなサイズを持つ原子のことである。
研究チームは、このリング構造をレーザーで破壊することで、偽の真空状態を模倣。その結果、レーザーの対称性を破壊する強度が強いほど、シミュレーションされた真空状態の崩壊が加速されることが確認された。これは、既存の量子場理論を裏付ける結果となった。
また、実験中に「真の真空状態を含む泡構造」が形成される様子も観測され、低エネルギー状態への移行がより起こりやすくなることが示された。
今後の研究に向けた基盤を提供
Tey氏は、今回の実験について「机上実験で偽の真空崩壊の基本的なダイナミクスを示す重要な一歩であり、今後の研究の礎となる」と述べ、さらなる探求への足掛かりとなったことを強調した。
関連研究：光速を超える「暗黒点」の発見
量子物理学の分野では、この他にも「暗黒点（Dark Points）」と呼ばれる現象の発見が報告されている。これは光速を超える速度で移動する特異な点であり、従来の物理学の枠組みを超える現象として注目を集めている。
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