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真空是空的么?

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本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:上海光机所,头图来源:视觉中国


从“真空即空无一物”到“超强激光诱导真空无中生有”,人类对自己所处世界的探索从未停止,也许宇宙就是从真空的量子涨落中诞生并演变成现在的样子的。



真空,是千百年来人类不断探索的问题,也是物理学最古老最基本的问题之一。2000多年前,古希腊哲学家德谟克利特提出原子论,认为原子以外的空间本质上就是“真空”。而亚里士多德则是真空的反对者,在他的设想中,“以太”填满了整个空间,因此宇宙中并没有绝对的真空。此后,真空和以太两大阵营的争论不断。



在经典物理图像中,真空的确空无一物,完全免疫于外部施加的任何力场,也不与任何物质形态相互作用。直到20世纪上半叶,随着相对论与量子理论结合以及量子场论的建立,才真正揭开了真空的神秘面纱。


根据量子场论的解释,所有粒子都是场的量子化,真空的本质就是量子场的基态。真空中虽然不存在任何实粒子,但由于量子涨落,时时处处充满了虚粒子的产生和湮灭。这些虚粒子以正反粒子成对的方式出现,并在极短的时间内再次湮灭,就像沸水中的气泡,在量子电动力学(QED)真空中,这样的气泡就是虚电子-正电子对。



然而,与量子真空相关的物理现象非常微弱,且时间、空间尺度很小,只有在极端物理环境中才会被诱导出来,并通过极其精密的实验测量才可能观测到。


以典型QED真空双折射效应为例,当一束超强激光在真空中传播时会激发虚正负电子对并对它们产生作用,使这些虚电子对重新以更有序的方式排列,从而对场产生一种屏蔽效果,结果导致真空看上去就像一种特殊的介质,物理学家将其称为QED真空极化。极化后的真空折射率会在两个不同方向上产生不一样的变化,导致真空双折射效应,从而使一束线偏振探针激光穿过被极化的真空之后变成椭圆偏振。这种现象为物理学家实验探索强场QED真空提供了可能。



既然真空中充满了虚粒子对,那么有没有可能将这些虚粒子对激发成实粒子,即在真空中直接产生物质呢?理论上在QED真空,可以在虚电子-正电子对重新湮灭之前,通过超强激光场施加外部作用力将它们分开,从而让这一对虚粒子变成实粒子保留下来。但研究表明,在真空中直接利用超强激光打出正负电子对所需要的激光强度比目前实验室最强的激光要强一千万倍。


一个可能的方法是将高能电子束与超强激光对撞,由于相对论效应,在电子束运动的参考系中,激光场强度可以得到极大增强,从而达到产生正负电子对的条件。物理学家还找到了其他能在实验室间接实现产生正负电子对的方法,例如中国科学院上海光学精密机械研究所已通过超强激光打靶实验产生了电子与正电子。



按照真空的思路大胆想象,我们的宇宙或许原本就是一顿从无到有的“免费午餐”,从真空的量子涨落中产生,逐渐变成现在的样子。利用超短超强激光也许能够帮助我们更深刻地理解真空的本质。


本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:上海光机所,头图来源:视觉中国

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